橫向梳狀硅微靜電諧振器機械性能分析與實驗研究.pdf

1、橫向梳狀硅微靜電諧振器是最早開發(fā)和使用的微型機電系統(tǒng)(MEMS)元器件之一，它既可作為能量轉換裝置，實現(xiàn)電能和機械能的轉換，又可成為執(zhí)行機構，擔負系統(tǒng)信息的響應功能。本文以能產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、設計方法和實驗測試等方面進行了深入研究。 在綜合已有研究成果的基礎上，首先探討了諧振器在正弦交流電壓驅動下的響應情況。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，諧振頻率則等于驅動電壓頻率的一半。 結合諧振器的特點，提出了對稱變換理論。在此基礎上，為達到大位移輸出的目的，綜合電磁學、力學等知識，建立了弓型梁和多折疊梁諧振器的力學性能分析模型，討論了結構參數(shù)對其機械性能的影響，并利用Fedder 的面硅弓型梁諧振器實驗結果，驗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

3、行了實驗研究，為大位移輸出諧振器的設計提供依據(jù)。 為更好地對各類諧振器的機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，應用各類諧振器的力學模型，分別設計了多種直腳型、蟹腳型、弓型梁和多折疊梁諧振器。并對所設計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)位移和最大應力進行了 ANSYS模擬分析。通過對 ANSYS 模擬分析結果和所建模型的計算結果的比較研究，發(fā)現(xiàn)二者非常吻合。分析結果還表明，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。 利用光學顯微鏡+CCD法，對所設計各諧振器的性能進行了測試，測出了諧振頻率、品質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。實測結果顯示：諧振頻率穩(wěn)定性較好；但品質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，其品質因子和諧振振幅也

5、存在較大差別。通過實驗，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驗結果相對比。實驗表明，所設計的多折疊梁諧振器在不加直流偏置電壓條件下，20V交流電壓驅動即可產生7.5 μm的振幅；而在相同的直流偏置電壓和交流驅動電壓作用下，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，實現(xiàn)了大位移輸出的設計目標。 理論研究、有限元ANSYS模擬分析和實測結果的對比分析表明，諧振器諧振頻率的理論值、ANS