V型電熱硅微致動(dòng)器性能及其應(yīng)用研究.pdf

1、微致動(dòng)器是微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)的重要組成部分，用于構(gòu)成其中的驅(qū)動(dòng)或執(zhí)行單元，擔(dān)負(fù)著微系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)和力的傳遞及對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行響應(yīng)等功能。本論文以V型電熱硅微致動(dòng)器為研究對(duì)象，針對(duì)其設(shè)計(jì)、理論建模、性能分析、試驗(yàn)測(cè)試及其應(yīng)用等展開(kāi)研究。 采用表面硅犧牲層工藝和體硅腐蝕工藝分別設(shè)計(jì)、制造了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的V型電熱微致動(dòng)器，經(jīng)過(guò)幾次版圖設(shè)計(jì)和流片制作，積累了兩種工藝條

2、件下硅微機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。并通過(guò)試驗(yàn)建立了幾種微機(jī)械性能參數(shù)測(cè)試方法，并據(jù)此對(duì)V型電熱硅微致動(dòng)器的一些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。 通過(guò)變形能法和力法建立了結(jié)果一致的V型電熱硅微致動(dòng)器的靜態(tài)力學(xué)模型，并從力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)的基本原理出發(fā)，推導(dǎo)出了V型電熱硅微致動(dòng)器力-電-熱耦合的靜態(tài)模型。致動(dòng)器靜態(tài)特性的分析結(jié)果表明，V型電熱硅微致動(dòng)器的靜態(tài)輸出力與其輸出位移呈線性反比例變化關(guān)系，而與硅微梁加熱溫度呈線性正比例關(guān)系。V型電熱

3、硅微致動(dòng)器空載輸出位移隨硅微斜梁跨長(zhǎng)增加而線性增大，隨硅梁寬度增加而非線性減小，與斜梁傾角呈拋物線關(guān)系，而與硅梁厚度變化無(wú)關(guān)，此外，空載輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓呈二次方變化關(guān)系。 為研究V型電熱硅微致動(dòng)器工作頻率與其結(jié)構(gòu)固有頻率的區(qū)別，建立其彎曲振動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)硅微致動(dòng)器V型斜梁熱彈性應(yīng)力變形，推導(dǎo)出彎曲振動(dòng)的四階偏微分方程，通過(guò)其自由振動(dòng)模態(tài)分析，得到了斜梁彎曲振動(dòng)的各階固有頻率和振型。理論計(jì)算結(jié)果表明，V型電熱硅微致動(dòng)器固有頻率

4、是隨硅梁寬度的增加而線性增大，隨斜梁長(zhǎng)度增加而非線性減小，隨斜梁傾角增加而非線性增大。 V型電熱硅微致動(dòng)器靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果表明，微致動(dòng)器硅梁電阻值在工作電壓范圍內(nèi)不隨溫度升高而變化。測(cè)得的不同規(guī)格硅微致動(dòng)器空載輸出位移和驅(qū)動(dòng)電壓呈二次平方關(guān)系，與理論分析結(jié)果相吻合；硅微致動(dòng)器消耗的功率隨著輸出位移的增加而非線性增加；間接測(cè)得的硅微致動(dòng)器輸出力隨電壓增加而增大，但與輸出位移呈線性反比例變化關(guān)系，這也與理論分析一致。 利用設(shè)

5、計(jì)制造的在線動(dòng)態(tài)測(cè)試機(jī)構(gòu)，定性和定量測(cè)試了V型電熱硅微致動(dòng)器對(duì)不同激勵(lì)電壓的響應(yīng)。硅微致動(dòng)器對(duì)不同正弦波電壓的響應(yīng)輸出定量測(cè)試結(jié)果表明，位移輸出也是隨正弦波電壓的變化而周期性地發(fā)生變化。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在不同頻率、相同峰-峰值電壓驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)致動(dòng)器硅梁的交變電流隨電壓頻率呈一定規(guī)律變化，而且其工作頻率范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論計(jì)算的固有頻率。對(duì)V型電熱硅微致動(dòng)器的疲勞特性進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在正常的工作電壓下，當(dāng)超過(guò)極限往復(fù)運(yùn)動(dòng)

6、次數(shù)時(shí)，微致動(dòng)器多晶硅梁發(fā)生疲勞破壞而失去彈性，導(dǎo)致致動(dòng)器失效。如果試驗(yàn)電壓增大，則極限往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)減小。 采用表面硅犧牲層工藝制作了結(jié)構(gòu)層厚度為2μm的硅微柔性鉸鏈及其在線測(cè)試機(jī)構(gòu)，并對(duì)柔性鉸鏈的機(jī)械性能進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。以直圓型硅微柔性鉸鏈為例，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有宏機(jī)械柔性鉸鏈理論計(jì)算的值與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間的偏差較大，表明在微尺度效應(yīng)影響下，宏機(jī)械柔性鉸鏈理論模型不能直接用于硅微柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)與計(jì)算。因此根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)宏機(jī)械柔性

7、鉸鏈理論計(jì)算公式進(jìn)行了修正，得到了用于描述硅微柔性鉸鏈靜態(tài)特性的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可用于硅微柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算。 采用兩種硅微工藝設(shè)計(jì)制造了多晶硅薄膜微夾鉗和中深寬比單晶硅柔性鉸支承杠桿式微夾鉗。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，多晶硅電熱微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的薄膜硅微夾鉗具有良好的電壓可控性。中深寬比單晶硅柔性鉸支承杠桿式微夾鉗集V型電熱硅微致動(dòng)器、硅微夾持機(jī)構(gòu)和硅微柔性鉸鏈為一體，試驗(yàn)表明，該硅微夾鉗夾持位移隨驅(qū)動(dòng)電壓呈線性正比例變化關(guān)系，