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文檔簡介
1、納米級驅(qū)動是納米測控系統(tǒng)中急需解決的關(guān)鍵問題。納米級驅(qū)動在納米儀器設備和納米加工設備中有著廣泛的應用,如掃描探針驅(qū)動和樣品進給、大規(guī)模集成電路制造中的多層壓印套刻及分布壓印對準技術(shù)等等,在很多相關(guān)學科領(lǐng)域如生物醫(yī)學、航空航天技術(shù)等等都迫切需要納米級驅(qū)動和定位。靜電驅(qū)動刮板式微致動器(ScratchDriveActuator,簡稱SDA)是一種重要的MEMS微致動器,具有單步位移為納米量級、實現(xiàn)連續(xù)步進致動、輸出位移大等特點。本文即以SD
2、A為對象,研究分析其運動機理和測試手段。 本文在研究分析SDA運動特點的基礎上,對該種靜電驅(qū)動MEMS微致動器進行了力學分析,建立了受靜電力作用下的、考慮SDA加工工藝因素影響的力學模型。用有限元分析軟件ANSYS對SDA進行仿真研究,分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對主要性能參數(shù)的影響。SDA在靜電驅(qū)動下作步進運動時引起擠壓平板與底板間的空氣流場發(fā)生變化,其空氣阻尼效應將對SDA性能產(chǎn)生較大影響。本文考慮微尺度影響,計入稀薄氣體效應,在Nav
3、ier-Stokes方程的基礎上,建立了作縱向擠壓運動的空氣阻尼理論模型,用有限差分法進行求解,研究在SDA運動過程中其間的空氣流場變化,并分析空氣阻尼力對其性能影響。理論研究結(jié)果與國外現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)比較,發(fā)現(xiàn)與實驗值吻合很好,且優(yōu)于國外相應的理論研究結(jié)果,從而證實了本論文的理論模型正確性。在此研究基礎上,比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)SDA的性能。研究發(fā)現(xiàn),空氣阻尼力與SDA的結(jié)構(gòu)參數(shù)及振動頻率有關(guān),空氣阻尼力隨著其平板結(jié)構(gòu)的增大而迅速增大
4、,振動頻率提高將大大增加空氣阻尼力;隨著SDA平板長度的增大,其臨界電壓迅速降低,其單步位移略有減小,而最大致動位移增大較快;隨著SDA墊塊高度的增大,其臨界電壓和單步位移值增大,最大致動位移值減??;SDA支撐梁剛度的減小將有利于其臨界電壓降低、單步位移增大,最大致動位移增大;SDA驅(qū)動電壓幅度的增大將使單步位移近似呈線性增大,最大致動位移值增大迅速。 本文根據(jù)表面硅加工工藝要求,設計加工了不同結(jié)構(gòu)的SDA,以用以性能實驗。為了
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