MEMS刮板式微致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及測(cè)試研究.pdf

1、納米級(jí)驅(qū)動(dòng)是納米測(cè)控系統(tǒng)中急需解決的關(guān)鍵問題。納米級(jí)驅(qū)動(dòng)在納米儀器設(shè)備和納米加工設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，如掃描探針驅(qū)動(dòng)和樣品進(jìn)給、大規(guī)模集成電路制造中的多層壓印套刻及分布?jí)河?duì)準(zhǔn)技術(shù)等等，在很多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)、航空航天技術(shù)等等都迫切需要納米級(jí)驅(qū)動(dòng)和定位。靜電驅(qū)動(dòng)刮板式微致動(dòng)器(ScratchDriveActuator，簡(jiǎn)稱SDA)是一種重要的MEMS微致動(dòng)器，具有單步位移為納米量級(jí)、實(shí)現(xiàn)連續(xù)步進(jìn)致動(dòng)、輸出位移大等特點(diǎn)。本文即以SD

2、A為對(duì)象，研究分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)理和測(cè)試手段。 本文在研究分析SDA運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)該種靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微致動(dòng)器進(jìn)行了力學(xué)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(xué)模型。用有限元分析軟件ANSYS對(duì)SDA進(jìn)行仿真研究，分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主要性能參數(shù)的影響。SDA在靜電驅(qū)動(dòng)下作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)引起擠壓平板與底板間的空氣流場(chǎng)發(fā)生變化，其空氣阻尼效應(yīng)將對(duì)SDA性能產(chǎn)生較大影響。本文考慮微尺度影響，計(jì)入稀薄氣體效應(yīng)，在Nav

3、ier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，建立了作縱向擠壓運(yùn)動(dòng)的空氣阻尼理論模型，用有限差分法進(jìn)行求解，研究在SDA運(yùn)動(dòng)過程中其間的空氣流場(chǎng)變化，并分析空氣阻尼力對(duì)其性能影響。理論研究結(jié)果與國(guó)外現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)值吻合很好，且優(yōu)于國(guó)外相應(yīng)的理論研究結(jié)果，從而證實(shí)了本論文的理論模型正確性。在此研究基礎(chǔ)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(dòng)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(dòng)頻率提高將大大增加空氣阻尼力；隨著SDA平板長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)位移增大；SDA驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增大將使單步位移近似呈線性增大，最大致動(dòng)位移值增大迅速。 本文根據(jù)表面硅加工工藝要求，設(shè)計(jì)加工了不同結(jié)構(gòu)的SDA，以用以性能實(shí)驗(yàn)。為了