微結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動(dòng)特性研究.pdf

1、靜電力作為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中一種重要的驅(qū)動(dòng)力，廣泛應(yīng)用于微鏡、微泵、微馬達(dá)、微陀螺、微鉗、微諧振器、射頻開關(guān)等微器件中。盡管一部分靜電驅(qū)動(dòng)MEMS產(chǎn)品已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化，但相關(guān)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)工具尚不能滿足設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)中仍然以反復(fù)試驗(yàn)(trialanderror)方法為主，導(dǎo)致成品率低，可靠性差，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的研發(fā)速度和產(chǎn)業(yè)化水平。本文以靜電場(chǎng)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)仿真作為輔助工具，將實(shí)現(xiàn)器件級(jí)

2、或系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與分析作為目標(biāo)，深入研究靜電驅(qū)動(dòng)典型微結(jié)構(gòu)的靜電力、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面的問題，設(shè)計(jì)了具有明顯閥值效應(yīng)的靜電微加速度開關(guān)，建立并求解開關(guān)的系統(tǒng)仿真模型。本課題對(duì)促進(jìn)靜電驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)理論的深入研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，對(duì)提高靜電驅(qū)動(dòng)微器件的工程設(shè)計(jì)水平具有一定的指導(dǎo)意義。 以平行板電容理論為基礎(chǔ)，基于虛位移原理，導(dǎo)出了典型微結(jié)構(gòu)靜電力(或力矩)的計(jì)算模型，討論了邊緣電場(chǎng)對(duì)靜電力的影響，分析了不同靜電力模型的精度，確定了無限

3、大平行板電極靜電力公式的適用條件，為結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究提供理論依據(jù)。 提出了靜電力顯微鏡(EFM)掃描探針針尖與試樣之間的電場(chǎng)假設(shè)?；谠摷僭O(shè)，建立了計(jì)算針尖靜電力的解析模型，計(jì)算結(jié)果與等效電荷、有限元等數(shù)值方法以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 分析了因微結(jié)構(gòu)彈性力與靜電力的耦合作用而產(chǎn)生的吸合效應(yīng)(pull-inorsnap-down)?；谛隙茸冃卫碚摚岢隽艘环N計(jì)算靜電致動(dòng)微梁變形的數(shù)值方法和解析公式，求解了微梁

4、的臨界撓度(pull-indeflection)，分析了用小撓度變形理論計(jì)算微結(jié)構(gòu)變形的合理性。 基于小撓度變形理論，建立了靜電驅(qū)動(dòng)軸對(duì)稱圓形薄板(包括帶有突臺(tái)的薄板)的微分方程，并采用伽遼金加權(quán)殘值法進(jìn)行求解，確定了帶有突臺(tái)圓形薄板的臨界撓度為初始間隙的1/3；根據(jù)力矩平衡原理建立了微鏡的控制方程并進(jìn)行求解，分析了氣膜阻尼對(duì)微鏡響應(yīng)速度的影響。 基于本文建立的計(jì)算針尖靜電力解析模型，求解了靜電力掃描探針的變形，分析針尖

5、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)變形的影響，確定了掃描探針的臨界撓度與初始間距之比為常值1/2。 分別建立了靜電驅(qū)動(dòng)微梁、微鏡、圓形薄板和掃描探針的動(dòng)力學(xué)微分方程，針對(duì)具體問題，采用合適的方法求解系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)，分析了靜電驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)。對(duì)于含有氣膜阻尼作用的微梁振動(dòng)，提出了采用有限差分與增量加載相結(jié)合的計(jì)算方法。 基于靜電和氣膜分析理論，設(shè)計(jì)了具有顯著閥值效應(yīng)的靜電微加速度開關(guān)。通過梳齒阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置具有較大的阻尼