刮板式微致动器的理论与实验研究

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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。
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