刮板式微致动器的理论与实验研究

摘要

微致动器技术作为微机电系统技术的一个核心技术，越来越受到了国内外微机械专业领域内专家的关注。静电刮板式微致动器(Scratch Drive Actuator，简称SDA)是微机电系统(Micro-electro-mechanical system，简称MEMS)中应用最为广泛的致动器之一，具有单步位移为纳米量级、实现连续步进致动、输出力大、可控性好等特点。它主要应用在微型机械、纳米仪器设备和纳米加工设备中，如扫描探针驱动和样品进给、大规模集成电路制造中的多层压印套刻及分布压印对准技术等，在很多相关学科领域如生物医学、航空航天技术等等都迫切需要纳米级驱动和定位。本论文以SDA为对象，研究分析其运动机理和工作性能。 通过研究分析SDA的运动规律，确定其工作状态及受力。在考虑表面硅加工工艺因素影响下，建立了SDA在受静电力作用、支撑梁作用、基板反作用力下的力学模型，并与国外实验验证，证实理论模型的正确性。应用有限元分析软件ANSYS对SDA进行仿真研究，分析了结构参数对SDA主要性能的影响，并且研究了热效应对SDA工作状态的影响。在此研究基础上，比较不同结构参数和工况参数SDA的性能。研究发现，随着SDA平板长度的增大，其临界电压迅速降低，其单步位移略有减小，而最大致动位移增大较快；随着SDA垫块高度的增大，其临界电压和单步位移值增大；SDA支撑梁刚度的减小将有利于其临界电压降低、单步位移增大；SDA驱动电压幅度的增大将使单步位移近似呈线性增大。 本论文根据表面硅加工工艺要求，设计加工不同结构的SDA，对设计的SDA样品进行实验研究。最后通过测试实验样品，分析实验结果，结合表面硅微加工工艺分析误差产生的原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3微致动器简介

1.4国内外研究概况

1.5本论文的主要研究内容

第二章 刮板式微致动器理论研究

2.1刮板式微致动器简介

2.2静电力分析

2.2.1恒定电压作用下的静电力

2.2.2正弦交流电压作用下的静电力

2.3运动状态分析

2.4结构受力分析

2.4.1支撑梁挠曲变形

2.4.2支撑梁的扭转变形

2.4.3平板的变形

2.4.4单步位移

2.5理论模型分析结果和已有文献结果的比较

2.6本章小结

第三章 热效应对刮板式微致动器的影响

3.1驱动系统

3.1.1控制原理

3.1.2电热能转化

3.2热应力分析

3.2.1热膨胀计算基础

3.2.2稳定性模型建立

3.3本章小结

第四章 刮板式微致动器有限元分析

4.1有限元技术简介

4.2模态分析

4.3支撑梁的热效应

4.3.1稳定性分析

4.3.2热应力分析

4.4本章小结

第五章 微致动器的加工工艺及设计

5.1表面微机械加工技术

5.1.1单层结构SDA的工艺流片过程

5.1.2双层结构SDA的工艺流片过程

5.2加工版图

5.3表面硅微加工工艺加工误差分析

5.4本章小结

第六章 实验研究

6.1 MEMS实验研究概况

6.2实验原理及结果分析

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间申请的专利

作者在攻读硕士学位期间所做的项目

致 谢