V型电热硅微致动器性能及其应用研究

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微致动器是微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，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增大，但与输出位移呈线性反比例变化关系，这也与理论分析一致。利用设计制造的在线动态测试机构，定性和定量测试了V型电热硅微致动器对不同激励电压的响应。硅微致动器对不同正弦波电压的响应输出定量测试结果表明，位移输出也是随正弦波电压的变化而周期性地发生变化。动态试验过程中发现，在不同频率、相同峰-峰值电压驱动下，通过致动器硅梁的交变电流随电压频率呈一定规律变化，而且其工作频率范围要远远低于理论计算的固有频率。对V型电热硅微致动器的疲劳特性进行了初步的试验研究，结果表明，在正常的工作电压下，当超过极限往复运动次数时，微致动器多晶硅梁发生疲劳破坏而失去弹性，导致致动器失效。如果试验电压增大，则极限往复运动次数减小。采用表面硅牺牲层工艺制作了结构层厚度为2μm的硅微柔性铰链及其在线测试机构，并对柔性铰链的机械性能进行了理论和试验研究。以直圆型硅微柔性铰链为例，发现用现有宏机械柔性铰链理论计算的值与实际测试结果之间的偏差较大，表明在微尺度效应影响下，宏机械柔性铰链理论模型不能直接用于硅微柔性铰链的设计与计算。因此根据试验数据对宏机械柔性铰链理论计算公式进行了修正，得到了用于描述硅微柔性铰链静态特性的经验公式，经试验验证可用于硅微柔性铰链的设计和性能计算。采用两种硅微工艺设计制造了多晶硅薄膜微夹钳和中深宽比单晶硅柔性铰支承杠杆式微夹钳。试验测试结果表明，多晶硅电热微致动器驱动的薄膜硅微夹钳具有良好的电压可控性。中深宽比单晶硅柔性铰支承杠杆式微夹钳集V型电热硅微致动器、硅微夹持机构和硅微柔性铰链为一体，试验表明，该硅微夹钳夹持位移随驱动电压呈线性正比例变化关系，虽然消耗的功率要比薄膜型热致动器驱动的微夹钳要多，但由于使用了柔性铰链杠杆放大机构，夹钳具有相对较大的夹持位移，并且驱动电压小于5V，易于同集成电路工作电压兼容。

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作者
张永宇;
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作者单位

上海大学;

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授予单位上海大学;
学科机械设计及理论
授予学位博士
导师姓名陈晓阳;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类机电一体化;制造工艺;
关键词
微机电系统; V型电热硅致动器; 硅微柔性铰链; 硅微夹钳; 表面硅牺牲层工艺;

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