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题名:
大行程MEMS面外驱动器的设计与分析
作者: 任豪
学位类别: 硕士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 姚军
关键词: 微机电系统 ; 静电力 ; 面外驱动器 ; 大行程 ; 表面微加工 ; 杠杆原理
学位专业: 光学工程
中文摘要: 近年来,MEMS面外驱动器因其尺寸小,成本低,功耗低,响应快和具有良好的机械特性等优点成为光学微机电系统,射频微机电系统等领域的核心部件,MEMS面外驱动器的性能直接影响整个系统的性能。然而传统MEMS面外驱动器受到加工工艺以及静电拉入效应的限制 (面外驱动器行程只能达到初始电极之间间距的三分之一),使得行程普遍较低,严重制约着系统的性能,因此大行程MEMS面外驱动器的研制成了一个亟待解决的问题。本论文对大行程MEMS面外驱动器进行了研究,提出了三种结构来提高MEMS面外驱动器的行程。
论文首先提出了基于杠杆放大原理的MEMS面外驱动器,采用杠杆原理将短臂末端较小的位移放大为长臂末端较大的位移,实现位移放大。分别采用能量法和逐段变形叠加法对结构进行建模,结合有限元分析对结构参数进行优化,采用了三种方式优化结构。第一种方式是在长臂末端加了一段细梁,降低了长臂末端对行程的制约,第二种方式是在长臂末端加了一段拐角梁,相比第一种优化更为紧凑,第三种方式提高了结构层的初始高度,并在长臂末端加了由蛇形梁组成的万向节。三种优化后的结构都由表面多晶硅微机械加工工艺进行了加工,通过测试,前两种结构在47V和24.15V电压下分别达到了1.45微米和2.21微米的行程,超过了传统MEMS面外驱动器行程的两倍和三倍。第三种结构在有限元仿真中获得了4.4微米的行程,超过传统面外驱动器行程的7倍。
之后提出了利用自组装原理来提高面外驱动器行程的方法,即利用加工过程中金与多晶硅的热膨胀系数不同,因而冷却过程产生的残余应力使得镜面向上移动,提高电极之间的初始间隙,从而达到提高行程的目的。采用能量法对结构进行建模,发现当金膜长度是悬臂梁长度的二分之一时残余应力导致的初始面外位移最大,并结合有限元分析对器件参数进行了优化。优化后的结构同样采用了表面工艺进行加工。实验研究发现,面外驱动器在加工完成后,其镜面向上运动了2.82微米,加载9.1V电压获得1.88微米的行程,接近传统面外驱动器行程的三倍。对驱动器进行动态测试发现,其工作带宽随加载交流电压幅度的增高而逐渐降低,在4V,5V,6V和7V的正弦交变电压下,其-3db带宽分别是1350Hz,1205Hz,1071Hz和880Hz。驱动器的一阶模态是上下运动,对应的谐振频率是12.5KHz,远远超出了驱动器的工作带宽,因此在工作带宽内面外驱动器不会发生共振。
最后提出了利用静电吸引排斥原理来提高面外驱动器的行程的方法,采用了双向驱动方式:静电排斥可使面外驱动器向上运动而静电吸引可使面外驱动器向下运动。设计出了基于吸引排斥原理的MEMS面外驱动器,并采用环扣型蛇形梁使驱动器更为稳定。经过有限元软件的优化设计,利用表面工艺对面外驱动器进行了加工,实验发现,面外驱动器工作在吸引模式下时,在15V电压下可以取得0.63微米的位移,工作在排斥模式下时,其在130V电压下可以取得1.4微米的位移,因此它可以达到2.03微米的行程,超过了传统MEMS面外驱动器的三倍。
论文研究表明,三种方法都成功的提高了面外驱动器的行程,克服了加工工艺和静电拉入的限制,采用三种方式制作的面外驱动器可广泛应用于光学微机电系统,射频微机电系统等领域。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/582
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任豪. 大行程MEMS面外驱动器的设计与分析[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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