多台阶平板静电驱动的高占空比微镜阵列的研制

为了在限定驱动电压下获得大镜面尺寸、大扭转角度的微镜阵列,提出了一种多台阶平板静电驱动结构的微镜阵列.理论分析了多台阶平板结构与平行平板结构在静电驱动时的区别.研究了多台阶平板结构的制作工艺并采用体硅加工工艺制作了多台阶平板静电驱动的微镜阵列,获得了微镜面尺寸达到600 μm×200 μm,包含52个微镜面排布,占空比...     

静电驱动MOEMS保险机构的设计与试验

为了提高引信状态控制的安全性,增强其抵抗引信内、外强电磁干扰的能力,提出了一种应用于微小型引信安全系统的硅基微光机电保险机构。该机构采用光纤作为过程能量传输的载体,通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制,达到引信安全与解除保险的目的。设计了MOEMS保险机构的总体结构和耦合光路,并对它进行SOI+DRIE工艺设计和加工。通过开展静电微驱动器性能测试试验和光路性能测试试验得出,静电微驱动器能够实现130μm的大位移输出,MOEMS保险机构的解除保险时间和恢复保险时间分别为13 ms和5 ms,光能传输效率为46.1%。所设计的MOEMS保险机构能够满足功能要求,具备天然的抗电磁干扰能力,有效提高了引信的本征安全性。     

基于体硅工艺的集成式定位平台

针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制出了一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度微型定位平台,定位平台采用侧向平动静电梳齿驱动.利用力电耦合和能量守恒原理分析了静电致动器的致动机理,对定位平台的主要失效模型、静态和动态特性进行详细建模分析,证明了静电梳齿力电耦合所导致的侧壁不稳定以及驱动器的最大稳定输出位移,给出了平台稳定工作条件下梳齿间隙、梳齿初始交错长度以及复合柔性支撑梁的弹性刚度比之间的关系.动态分析时考虑空气阻尼对平台的影响,给出了平台最大运行速度、位移及动态条件下的临界驱动电压并把分析结果应用于平台闭环控制.实验结果表明:驱动电压30 V时,平台稳定输出位移达10 μm,机械稳定时间仅为2.5 ms.     

磁流变阻尼器的电流驱动器的设计与测试

动态响应时间是磁流变阻尼器的一个重要指标，它与驱动电路的形式密切相关。相对于电压源驱动，电流源驱动能显著缩短磁流变阻尼器线圈中励磁电流的瞬态响应过程。本文采用PWM开关方式设计了一种用于汽车磁流变阻尼器的电流驱动器，并连接实际磁流变阻上升响应时间约为3．10ms，阶跃下降响应时间约为13．20ms。     

基于纳米磁性液体驱动的液态变形镜系统研究

波前校正器对自适应光学系统的性能起着关键性的作用。以纳米磁性液体为驱动载体,提出了一种新型液态波前校正器设计方法。与传统的固态变形镜相比,磁液变形镜具有镜面连续光滑、变形幅度大、制造成本低和驱动器易于扩展等优点。首先阐述了磁液变形镜系统的设计结构,提出了一种磁液表面银纳米薄膜自组装制备方法,用以提高磁液变形镜镜面反射率;然后结合建立的磁液变形镜镜面动力学模型,提出了一种镜面分布式PID控制方法;最后基于制作的磁液变形镜原型样机,搭建自适应光学实验平台对变形镜性能进行了实验验证,结果表明所设计的液态变形镜及其镜面控制方法能有效控制镜面变形,从而实现期望的光波校正性能。     

基于Parylene薄膜的微型电磁驱动器的设计与工艺

主要讨论了一种微型电磁驱动器的设计和制作工艺。该驱动器结构简单，由Parylene振动膜和硅基片两层组成，将驱动线圈与硅片集成在一起。分析了平面电磁线圈的驱动特性和驱动器振动膜的形变，对其关键尺寸进行优化。采用电镀工艺在硅基片上电镀驱动线圈、在Parylene薄膜上电镀NiFe合金阵列，并采用牺牲层工艺得到振动膜的悬空结构。     

柔性膜微型电磁驱动器的设计与制作工艺

主要讨论了一种微型电磁驱动器的设计和制作工艺。该驱动器结构简单，由Parylene振动膜和硅基片两层组成，将驱动线圈与硅片集成在一起。对平面电磁线圈的驱动特性和驱动器振动膜的形变进行了分析，并对其关键尺寸进行优化。采用电镀工艺在硅基片上电镀驱动线圈，在Parylene薄膜上电镀NiFe合金阵列，采用牺牲层工艺得到振动膜的悬空结构。     

Driving characteristics of non-overlap vertical electrostatic combdriver for optical translational micromirror

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器,建立了保角变换数学模型,研究了驱动器的驱动特性.从复变函数理论出发,建立了驱动器的保角变换静电场解析模型;以动齿受力为研究对象,根据不同情形下的动齿受力特点,求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析.采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器,搭建了Michelson干涉仪光学测试系统,测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性.实验结果表明,所制作的无交叠梳齿驱动器在28 V偏压下机械位移可达325 nm,相位差为2π;在90 V的偏压下能够获得2.07μm静态位移.测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致,验证了所建数学模型的正确性,为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础.     

无交叠垂直梳齿平动微镜的驱动特性

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器,建立了保角变换数学模型,研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发,建立了驱动器的保角变换静电场解析模型;以动齿受力为研究对象,根据不同情形下的动齿受力特点,求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器,搭建了Michelson干涉仪光学测试系统,测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明,所制作的无交叠梳齿驱动器在28V偏压下机械位移可达325nm,相位差为2π;在90V的偏压下能够获得2.07μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致,验证了所建数学模型的正确性,为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。     

复合式MEMS微夹持器研制

研制了一种针对亚毫米微小构件实施稳定夹取及可靠释放的微夹持器,应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与真空驱动集成构成复合式驱动,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及真空控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移25μm。设计了两种尺寸的微夹持器,一种张合量为100µm～150µm,另一种为150µm～200µm。针对100～200µm的小球进行了微操作实验,实验结果证明静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的正压气流能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现了可靠的释放操作。     

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置，该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS（micro-electro-mechanical system）疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析，并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟，模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平，并对该电压范围进行预测。     

基于谐振原理的硅微薄膜弯曲疲劳装置的设计

根据梳状驱动器原理设计了一种静电力驱动的硅微薄膜弯曲疲劳试验装置,所设计的装置可以由微机电系统表面牺牲层标准工艺制作加工。对所设计疲劳试验装置的圆弧梳状驱动器电容及静电驱动力进行了理论分析,并在此基础上采用有限元分析软件ANSYS对装置进行了模态分析与简谐分析。分析结果表明：当所施加的交流电压频率与结构的一阶固有频率相等时,试样在其缺口根部取得最大应力值,该应力值与所加交直流电压乘积的大小成线性关系,利用该关系式可对试验所需电压值进行预测。有限元分析和制造结果观测表明,所设计的装置符合微机械疲劳试验要求。     

Interferometric measurement using bimorph actuated staggered mirror (BASM) microsensor

For physical and chemical sensing applications, a bimorph actuated staggered mirror (BASM) microsensor was designed and fabricated by surface micromachining using a transparent quartz substrate. While the conventional cantilever sensors have angular deflection, BASM’s moving mirror performs piston-type pure vertical motion in response to environmental stimuli like temperature change and surface stress change due to molecular adsorption. Since the sensor itself has a fixed or reference mirror as well as a moving mirror, 1) an interferometric measurement is possible without an additional reference mirror in off-axis measurement setup, and 2) vibration measurement noise can be reduced. For preliminary test purposes, interferometric measurement using an optical setup was performed for temperature change. At He-Ne line (632.8 nm), a temperature change of ∼0.8 K caused a minimum-to-maximum interferometric light intensity change which corresponds to ∼144 nm shift of the moving mirror part. An optical diffraction analysis was performed and optimal device parameters were found to maximize the sensor sensitivity.     

Development of a microlateral force sensor and its evaluation using lateral force microscopy

A microlateral force sensor (MLFS) was developed and evaluated using atomic force microscopy (AFM). The sensor was attached to a sensing table supported by a suspension system. The lateral motion of the sensing table was activated by a comb actuator. The driving voltage to the comb actuator was controlled to maintain a constant position of the sensing table by detecting the tunneling current at a detector, which consisted of two electrodes where the bias voltage was applied. An AFM was used to apply a lateral force to the sensing table of the sensor. When the probe of a cantilever was pressed against the sensing table and a raster scanning was conducted, the driving voltage of the comb actuator changed to compensate the friction force between the probe and sensing table. AFM measurements of an asperity array on the sensing table were conducted, and a lateral force microscopy image (LFM) was obtained from the change in driving voltage. The image by MLFS was very similar to the LFM image that was conventionally obtained from torsion of the cantilever. The LFM image strongly correlated with the gradient image calculated from the AFM topographic image. The force sensitivity of the MLFS was determined by comparing the LFM image obtained by using the MLFS with the tangential force derived from the gradient of the AFM image.     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

单晶硅微构件力学特性片上测试系统

设计一种集成静电梳状驱动器和测试结构，专用于单晶硅微构件断裂、疲劳性能测试的片上测试系统。详细介绍测试系统的结构和工作原理。对静电梳状驱动器的驱动电压一驱动力关系、结构刚度以及谐振频率进行计算。利用MEMS（micro-electro-mechanical system）体硅工艺制造该测试系统，加工得到的测试系统在显微镜工作台上进行静态和动态弯曲实验，并将实验结果与ANSYS分析结果进行对比。结果表明，该测试系统性能稳定，能够实现对单晶硅微构件的弯曲断裂和疲劳测试。     

基于微操作的大行程高分辨率旋转微驱动器的研究

根据仿生学原理,采用分立式布局,研制出大行程高分辨率旋转微驱动器.该微驱动器采用电磁铁箝位、压电陶瓷驱动的爬行式步进机构形式,实现了光学镜面的二维微调整操作.实验表明,该微驱动器具有分辨率高、行程大、步距可变等特点,也适用于其它微操作中大行程高分辨率的旋转驱动.