V型电热硅微致动器性能及其应用研究

论文摘要

微致动器是微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）的重要组成部分,用于构成其中的驱动或执行单元,担负着微系统内能量转换、运动和力的传递及对系统信息进行响应等功能。本论文以V型电热硅微致动器为研究对象,针对其设计、理论建模、性能分析、试验测试及其应用等展开研究。采用表面硅牺牲层工艺和体硅腐蚀工艺分别设计、制造了具有不同结构参数的V型电热微致动器,经过几次版图设计和流片制作,积累了两种工艺条件下硅微机构设计方面的经验。并通过试验建立了几种微机械性能参数测试方法,并据此对V型电热硅微致动器的一些静态和动态性能参数进行了测试。通过变形能法和力法建立了结果一致的V型电热硅微致动器的静态力学模型,并从力学、电学和热力学的基本原理出发,推导出了V型电热硅微致动器力-电-热耦合的静态模型。致动器静态特性的分析结果表明,V型电热硅微致动器的静态输出力与其输出位移呈线性反比例变化关系,而与硅微梁加热温度呈线性正比例关系。V型电热硅微致动器空载输出位移随硅微斜梁跨长增加而线性增大,随硅梁宽度增加而非线性减小,与斜梁倾角呈抛物线关系,而与硅梁厚度变化无关,此外,空载输出位移与驱动电压呈二次方变化关系。为研究V型电热硅微致动器工作频率与其结构固有频率的区别,建立其弯曲振动力学模型。根据硅微致动器V型斜梁热弹性应力变形,推导出弯曲振动的四阶偏微分方程,通过其自由振动模态分析,得到了斜梁弯曲振动的各阶固有频率和振型。理论计算结果表明,V型电热硅微致动器固有频率是随硅梁宽度的增加而线性增大,随斜梁长度增加而非线性减小,随斜梁倾角增加而非线性增大。V型电热硅微致动器静态性能测试结果表明,微致动器硅梁电阻值在工作电压范围内不随温度升高而变化。测得的不同规格硅微致动器空载输出位移和驱动电压呈二次平方关系,与理论分析结果相吻合;硅微致动器消耗的功率随着输出位移的增加而非线性增加;间接测得的硅微致动器输出力随电压增加而

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号列表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 微致动器的研究现状
• 1.2.1 微尺度机械设计理论与制造发展现状
• 1.2.2 微致动器的分类及研究状况
• 1.2.3 微热致动器的研究状况
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 V 型电热硅微致动器的设计与制造
• 2.1 V 型电热硅微致动器的设计
• 2.2 V 型电热硅微致动器的制造
• 2.3 电热硅微致动器设计、制造与工艺的关系
• 2.4 小结
• 第三章 V 型电热硅微致动器驱动机理及其静态特性研究
• 3.1 V 型电热硅微致动器静态力学模型建立
• 3.2 V 型电热硅微致动器静态特性研究
• 3.2.1 输出力与输出位移的的关系
• 3.2.2 最大输出位移与温度的关系
• 3.2.3 最大输出位移与结构参数的关系
• 3.2.4 最大输出位移与电参数的关系
• 3.3 小结
• 第四章 V 型电热硅微致动器结构固有频率特性
• 4.1 引言
• 4.2 V 型电热硅微致动器结构振动力学模型
• 4.2.1 V 型电热硅微致动器斜梁热弹性应力分析
• 4.2.2 弯曲振动微分方程
• 4.2.3 弯曲振动的机电耦合模型
• 4.2.4 边界条件与初始条件
• 4.3 硅微斜梁自由弯曲振动及其自然模态分析
• 4.4 结构参数对硅微致动器固有频率的影响
• 4.5 小结
• 第五章 V 型电热硅微致动器性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 微机械实验系统的建立
• 5.2.1 微机械实验测试系统的组成和工作原理
• 5.2.2 硅微机械可动构件微小位移测量方法
• 5.2.3 V 型电热硅微致动器输出力的测量
• 5.3 V 型电热硅微致动器静态特性试验
• 5.3.1 硅微致动器电阻特性
• 5.3.2 硅微致动器最大输出位移——电压特性
• 5.3.3 硅微致动器最大输出位移——功率特性
• 5.3.4 硅微致动器输出力——电压特性
• 5.3.5 硅微致动器输出力—位移特性
• 5.4 V 型电热硅微致动器动态性能试验研究
• 5.4.1 测试方案介绍
• 5.4.2 硅微致动器对不同激励响应的测量结果
• 5.4.3 微致动器驱动电压频率——电流特性测量
• 5.4.4 硅微致动器疲劳特性测量
• 5.5 小结
• 第六章 硅微柔性铰链研究
• 6.1 引言
• 6.2 硅微柔性铰链的设计与仿真分析
• 6.3 硅微机械柔性铰链试验研究
• 6.4 硅微柔性铰链的机械性能
• 6.5 小结
• 第七章 V 型电热硅微致动器在微机械中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 多晶硅薄膜微夹钳试验研究
• 7.2.1 V 型电热硅微致动器驱动的多晶硅薄膜微夹钳工作原理
• 7.2.2 夹钳夹持位移与驱动电压的关系
• 7.2.3 夹钳夹持位移与驱动力的关系
• 7.2.4 夹钳夹持位移与驱动功率的关系
• 7.3 中深宽比单晶硅柔性铰支承杠杆式微夹钳
• 7.3.1 中深宽比单晶硅柔性铰支承杠杆式微夹钳的设计
• 7.3.2 柔性铰支承杠杆式微夹钳性能试验研究
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文及申请专利、完成项目情况
• 作者在攻读博士学位期间获奖情况
• 致谢
• 博士学位论文同意发表声明
• 发表意见书