橫向梳狀硅微靜電諧振器機(jī)械性能分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、橫向梳狀硅微靜電諧振器是最早開發(fā)和使用的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)元器件之一，它既可作為能量轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，又可成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，擔(dān)負(fù)系統(tǒng)信息的響應(yīng)功能。本文以能產(chǎn)生大位移的橫向梳狀硅微諧振器為研究對象，對弓型梁和多折疊梁諧振器的理論建模、設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)測試等方面進(jìn)行了深入研究。 在綜合已有研究成果的基礎(chǔ)上，首先探討了諧振器在正弦交流電壓驅(qū)動下的響應(yīng)情況。分析表明，諧振器在大直流偏置電壓和無直流偏置電壓作用下都可發(fā)生

2、諧振，但是二者間存在差別。在大直流偏置電壓作用下，其諧振頻率等于正弦驅(qū)動電壓頻率；而在無直流偏置電壓情況下，諧振頻率則等于驅(qū)動電壓頻率的一半。 結(jié)合諧振器的特點(diǎn)，提出了對稱變換理論。在此基礎(chǔ)上，為達(dá)到大位移輸出的目的，綜合電磁學(xué)、力學(xué)等知識，建立了弓型梁和多折疊梁諧振器的力學(xué)性能分析模型，討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對其機(jī)械性能的影響，并利用Fedder 的面硅弓型梁諧振器實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所得模型的正確性。同時對采用體硅工藝加工的上述諧振器進(jìn)

3、行了實(shí)驗(yàn)研究，為大位移輸出諧振器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 為更好地對各類諧振器的機(jī)械性能作出客觀的比較和判斷，根據(jù)表面硅和體硅加工工藝的不同要求，應(yīng)用各類諧振器的力學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)了多種直腳型、蟹腳型、弓型梁和多折疊梁諧振器。并對所設(shè)計(jì)的各類諧振器的諧振頻率以及特定外力作用下最大靜態(tài)位移和最大應(yīng)力進(jìn)行了 ANSYS模擬分析。通過對 ANSYS 模擬分析結(jié)果和所建模型的計(jì)算結(jié)果的比較研究，發(fā)現(xiàn)二者非常吻合。分析結(jié)果還表明，多折疊梁諧振器可

4、以有效地增大位移輸出，降低諧振器的應(yīng)力。在相同外力作用下，相同特征尺寸的多折疊梁諧振器的位移大于弓型梁諧振器，而弓型梁諧振器的位移大于直腳型諧振器。 利用光學(xué)顯微鏡+CCD法，對所設(shè)計(jì)各諧振器的性能進(jìn)行了測試，測出了諧振頻率、品質(zhì)因子和諧振振幅等參數(shù)，并繪制出諧振振幅對于電壓的特性曲線。實(shí)測結(jié)果顯示：諧振頻率穩(wěn)定性較好；但品質(zhì)因子和諧振振幅受加工條件和工作環(huán)境的影響較大，即使對同一諧振器，在不同電壓激勵下，其品質(zhì)因子和諧振振幅也

5、存在較大差別。通過實(shí)驗(yàn)，研究了諧振器在無直流偏置電壓作用下的性能，并與有直流偏置電壓作用下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的多折疊梁諧振器在不加直流偏置電壓條件下，20V交流電壓驅(qū)動即可產(chǎn)生7.5 μm的振幅；而在相同的直流偏置電壓和交流驅(qū)動電壓作用下，多折疊梁諧振器的振幅約5倍于相同特征長度的直腳型諧振器，實(shí)現(xiàn)了大位移輸出的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 理論研究、有限元ANSYS模擬分析和實(shí)測結(jié)果的對比分析表明，諧振器諧振頻率的理論值、ANS