（计算机应用技术专业论文）mems器件设计与优化.pdf

摘要 关键字:m e m s ;电容 式微加速度传 感器;静电 梳齿 驱动微夹 钳; 有限 元; 优化 设计 ab s t r a c t ab s t r a c t b a s e d t h e e x i s t i n g p r o c e s s , d e s i g n i n g t h e me ms d e v i c e s i n s p e c i f i c u s e s a n d r e a l i z i n g i n d u s t r i a l i z a t i o n e v e n t u a l l y , t h i s i s a l l me ms r e s e a r c h u l t i m a t e g o a l . t h e m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f m e ms ( mic r o e le c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m) a r e v e ry i m p o r t a n t f o r i m p r o v i n g i t s p e r f o r m a n c e , s h o rt e n i n g i t s d e v e l o p m e n t p e r io d a n d l o w e r i n g i t s c o s t . t h e m i c r o a c c e l e r o m e t e r a n d t h e m i c r o g r i p p e r a r e t h e t y p i c a l me ms p r o d u c t s . t h e r e s e a r c h o n t h e i r m o d e l i n g , s i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n i s o f g r e a t r e f e r e n t i a l v a l u e f o r e x p l o r i n g t h e t e c h n o l o g y o f t h e m o d e l i n g a n d s im u l a t i o n o f me ms . b a s e d o n s i l i c o n / g l a s s a n o d i c b o n d i n g t e c h n o l o g y a n d in d u c t iv e l y c o u p l e d p la s m a ( i c p ) h ig h a s p e c t r a t io e tc h i n g , t h i s p a p e r p r o p o s e a n e w k i n d o f th e c a p a c i t i v e a c c e l e r o m e t e r w h ic h c o m b i n e d c o m b s t r u c t u r e a n d s a n d w i c h e s s t r u c t u r e e ff e c t i v e l y . t h i s a c c e l e r o m e t e r f a b r i c a t e d w it h t h i s t e c h n o l o g y s h o w s a h i g h s e n s it i v i ty a n d h a s e x c e l l e n t l i n e a r c o e ff i c i e n t . a b o u t t h e m i c r o s t r u c t u r e , t h e e ff e c t o f s t r u c t u r e p a r a m e t e r s o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e a c c e l e r o m e t e r i s a n a l y z e d. t h e c o m m o n m e t h o d o f o p t i m u m d e s i g n i s p r o p o s e d : f ir s t l y , e s t a b l i s h t h e re l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a n d g e o m e t ry p a r a me t e r s o f t h e m i c r o s t r u c t u r e ; s e c o n d l y， p r e m i s e t h e m e t h o d s o f o p t i m i z a t i o n ; t h e n c h o o s e t h e r e l a t i v e l y in d e p e n d e n t p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s i t e m s a s a fi r s t s t e p o p t i m i z a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n r e s u lt s i s a s t h e k n o w n v a r i a b l e s i n t h e n e x t s t e p s t o o p t i m i z e ; f o r c o n t r a d i c t o ry p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r , t h e f i n a l re s u l t s o f t h e o p t i m i z a t i o n i s a c e r t a i n c o m p r o m i s e o r b a l a n c e , s o t h a t t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e a c h i e v e i n t e g r a t e d o p t im i z a t i o n . t h e e l e c t r o s t a t i c c o m b - d r i v e 而c r o g r i p p e r a r e m o d e l e d a n d s i m u l a t e d i n t h i s p a p e r . t h e m i c r o g r i p p e r i s e l e c t r o s t a t i c a c t u a t e d a n d i n c lu d e s a n i n t e g r a t e d f o r c e s e n s o r m e a s u r i n g t h e g r i p p i n g f o r c e . n e g l e c t e d t h e e n e r g y l o s s o f h i n g e , t h e e l e c t r o s t a t i c a c t u a t e d s t r u c t u r a l 倾n c i p l e a r e a n a l y z e d a n d a c o u p l e d e l e c t r o s t a t i c - s t r u c t u r a l a n a ly s i s m e t h o d w a s p r o d u c e d i n t h e t h e s i s . t h e r e l a t i o n o f e l e c t r o s t a t i c a c t u a t i o n a n d c a p a c i t i v e f o r c e s e n s i n g i s e s t a b l i s h e d . i i i ab s t r a c t a s t h e c e r t i f i c a t io n o f t h e d e s i g n , m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n , a m ic r o m a c h i n e d c a p a c it i v e a c c e l e r o m e t e r h a v e b e e n p r o c e s s e d , p a c k a g e d a n d t e s t e d . k e y w o r d : m e m s ; f e w d e s i gn o p t i m i z a t i o n; m i c r o - c a p a c i t i v e a c c e l e r o m e t e r ; e l e c t r o s t a t i c a c t u a t e d m i c r o 颤p p e r i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目 录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版: 在 不以 赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 :泞、 raa 7 刁 年s月3 8 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 4 l 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年 ) 秘密*1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0 年) 机密2 0 年 ( 最氏2 0 年，可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、己 公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。 对本论文所涉 及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己 在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: 2- 7 年 月 v $ 日 第一章引言 第一章 引言 第一节 徽电子机械系统简介 微电 子 机械 系统 ( m ic r o -e le c tro -m e c h a n ic a l s y s te m ) 微电 子机械系 统 ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ) ， 简称m e m s ， 是在微 电 子技术基础上发展 起来的 集微型机械、 微传感 器、 微执行器、 信号 处理、 智 能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独 有的特殊工艺相结合， 涉及到微电子学、 机械设计、自动控制、材料学、光学、 力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合 技术m me ms是在微电 子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。 在 m e ms 中 ， 器件不仅工作 在电 能范畴， 还工 作在机械能范畴或其它能 量范畴如 磁、热等。me ms的制造，是从专用集成电路 ( a s i c )技术发展过来的，如同 a s i c技术那样，可以用微电子工艺技术的方法批量制造， 但比a s i c制造更加 复杂， 这是由 于m e m s 的 制造过程采用了 化学 试剂 之类的 特殊材料 o me ms 在许多 方面具有传统机电 技术所不具备的 优势，包括质 量和尺 寸普遍 减小、 可 实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。 对 me ms的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类. 理 论研究 主要是研究微尺 寸效应、 微磨 擦、 微构件的机 械效应以及微 机械、 微 传感器、 微执行器等的设计原理和控制研究等; 制造工艺研究包括微材料性能、 微加 工工艺 技术、 微器件的 集成和装配以 及微测量技术等;应用研究主 要是 将 所研究的成果，如微型电 机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入 实用。 2 m e m s 的应用与发展 m e m s 技术 经过几十年的发展，己 取得了 很大的进展。 在微传感器 方面， 除较成熟的压力和加速度传感器之外，在测量力、角速度、流量、声、 光、热、 第一章引言 磁、气、离子以及生物、化学等领域也己经取得了成功。在微执行器领域，己 研制成功了多种微型构件，如微膜、微梁、微探针、微齿轮、凸轮、微弹簧、 微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微阀门、微连杆等和多种微执行器，如微 夹钳、微阀、 微泵、微开关、微扬声器、微谐振器、微马达等。在微系统方面， 如a d公司的力平衡式角速度仪( a d x l 5 0 ) , t i 公司的数字化微镜器件( d md ) 等，以及微型机器人、微型飞行器、微型卫星、微型动力系统等的研究，其潜 在的军事应用前 景不容 忽视阁 。 微传感器一直是me ms研究的重点。 十多年前， 微传感器仅有硅压力传感 器具有较大市 场应用， 而如今，加速 度传感器己 异军 突起， 许多其它微机械器 件也正逐步商 业化。 m e m s己 经在我们的身 边: 汽车安 全气 囊中 使用的 加速度 计，医学上使用的 新型血压计都有微传感器的身 影。由 于复 杂程度和磨损问 题 等的缘故，微执行器的发展要落后于微传感器，不过仍有商业化的产品面世， 如喷墨打印头、硬盘读写磁头等。 同时在 m e ms 技术中发展起来了一支极具活力的新技术系统， 这就是微光 机电 系统 ( m o e m s ) 。目 前己 研制的元器件 包括微 镜阵列、微光斩 波器、 微光 开关、 微光扫描 器等。 在可以 预见的 将来， m o e m s将在全光通讯网 络中 得到 广泛应用，将极大地促进信息通讯、航天技术以及光学工具的发展，对整个信 息化时代将产生深远的影响。 微机械射频器件 ( r f - me ms )是当前国际上研究的又一热点，包括微型电 感、可调电容、微波导、微传输线、微型天线、谐振器、滤波器、移相器等。 使用m e m s 技术可以 实现各个通 讯部件的 微型化 和集成化， 可以 提高信号的处 理速度和缩小整个个人移动系统的体积。由于移动通信的巨大市场潜力， r f - m e m s 器件具 有无限 商机。 生 物芯片 ( b i o c h i p )技 术是 最近十年内 发展 起来的、结 合生 物技术和微细 加工技 术的 一门 新技术。 利用m e m s 工艺 技术用 硅片 制作出 了功能完备、 价格 低廉、携带方便的生物芯片，它往往集样品处理、检测、分析及结果输出为一 体， 成为一个微 型的 片上生物实验室， 可以 完 成如体 液成分分析、 d n a成分分 析等诸多功能 ( a l 国 际 上 许 多 著 名 的 公 司 如in te l , t i , a n a lo g d e v ic e s , h o n e y w e ll , m o to ro la 等均有积极的m e m s 市场开发 计划。目 前， 非传 感器类 m e ms器件的市场 还 相对较小，但 有理由 预测， 在今后，以m o e m s , r f - m e m s , b i o c h i p为代表 第一章 引言 的非传感 器类m e m s 器 件将会有明显增长。 m e m s是一 项跨多学科的高新技术， 将对2 1 世纪的 科学技术发 展及人 类 的生产和生活方式产生革命性的影响，是关系国民经济发展的关键技术，在未 来高科技竞争和国防建设中起着举足轻重的作用。我们应该正视高技术领域中 的激烈竞争，迎接新的技术与产业革命的挑战。 第二节 微加速度计与 徽夹钳 2 . 1微加速度计 微传感器是me ms的重要内容。 与传统的微传感器相比， 微传感器在尺寸 和价格上占有明显优势，具有极强的市场竞争力。国外己发展出了很多各式各 样的微传感器，微加速度传感器是其中比较成功的一类，电容式微加速度计是 最重要的一种微加速度传感器之一，它的机、电 模块结合紧密，成为目前最具 典型意义的一种me ms器件。 1 . 2 . 1 . 1微加速度计的应用与发展 硅微加速度传感器的研究与开发始于6 0 年代末，7 0 年代初。1 9 7 7 年美国 s t a n f o r d 大学在世 界上首先采用微加工 技术制 造出 一种开环硅加速度计， 并在 8 0 年代初 形成了 产品。 进入 8 0 年代后 期， 考虑 到加速度计的测量范围以 及线 性问 题， 人们开始研究各种力平衡式微硅加 速度计，通过反馈使加速度计保持 在平 衡状态下进行 对加速度的 测量。 1 9 8 9 年， a d 公司进行了 叉指式力平衡加速 度计 ( a d x l 5 0 ) 的 研究，并与德国s e i m e n s 公司 合作开发其电 子测量电 路， 于 1 9 9 2年满足了汽车中央气袋的性能指标要求，1 9 9 3 年投产， 现在已形成系列产 品5 l 。 进入9 0 年 代， 人们开始研究扭摆式力 平衡硅 微加 速度计， 这是由 于在梁 的设计方面，由 于扭摆式比悬臂梁式， 简支梁 式结构尺寸设计方面要小很多 ， 同时，采用 扭摆式结构质量块的运动幅度大大 减小， 降低了 阻尼的 影响。1 9 9 0 年，c s d l 研制出扭摆式力平衡硅微加速度计，这种加速度计共计有四种不同的 量 程 : 1 0 0 0 0 鲍 、 1 0 呢 、 1 0 g , 2 g , 高 动 态 范 围 的 为 军 用 炮 弹 所 需， 低 动 态范 围 的为商用。在此同时，加速度计在加工工艺上也取得了很大进展，1 9 9 3 年德国 k a l s r u h e 微机购 技术研究采用l i g a 技术 加工了 一 种高精 度加速 度计6 , 7 1 ，并 于 第一章引言 1 9 9 5 年增加了 温度补 偿电 路 x , y 。 日 本日 立公司 和东 北大学研究了一种脉冲调宽 iiaom2 、 0.5k 1400- 阅 _嗽 丫头 一 唯篡氮 。 .， 400s蓬墓 2 .2 2 4 2 .6 2 月3 3 .2 3 .4 3 石3 刀 极板间距 图2 .2 5阻 尼一极板间 距一极板长度关系图 通过图2 . 2 5 ， 可以 看出 极板长度对阻 尼的 影响是线 性的， 而极板间距对阻 尼的 影响是非线性的， 这与 理论分析的3 次 幂关系是吻 合的。 同时， 可以 看出 极板间距越小，阻尼比随着极板长度而变化的变化率就最大. 由前面对阻尼的理论分析知道，当阻尼比在 0 . 7附近时，结构的响应是最 好的。 通过上面对阻 尼的 分 析，找到相对最好的阻 尼系数出 现在极板长 度 1 1 0 0 f pm ，极板间距2 f u n ， 此时 阻 尼比为0 . 6 8 5 . 2 .尾的长度对结构性能的影响 第二章 电容式微加速度计的结构设计与优化 增加尾部的长度，会使敏感质量增加，这对结构的灵敏度和线性度有什么 影响?在这里，设定灵敏度和非线性度为目标函数，尾部的长度为设计变量， 分析t当尾部长度分 别取3 0 0 , 3 5 0 , 4 0 0 , 4 5 0 , 5 0 0 , 5 5 0 , 6 0 0 p m时结构的灵 敏度和线性度之间的关系。 艘感 质皿尾部长 - 哭 怕度 创s2朋的曰妇 曰一感侧形喊 刃)司 团日 刀 拍旧 质盆尾部 长 ( 听 ) 59 日刃 图2 .2 6质量 块长度与灵敏度的关系 多 一 缨 故 启 质 退 尾 郁 长 二 釜 菠 性 度 : i ; 嗡黔丫价 子瓷枷黔斌 砧翻 貂拳粼 月 田月 印日刃5 宝 】肠 口 故启质f尾部长_ ( 峨 ) 图2 .2 7质量块长度与线性度的关系 如图2 .2 6 与图2 . 2 7 所示， 在 其它参数不变的 情况下， 增加质量块的尾部长 度， 也就是增加 敏感质量， 这 使得结构的灵敏度提高， 它们的关系 是成正比的。 但是，显然敏感质量的 增加也降低了结构的线性度，敏 感质量 对线性度的影响 要大于对灵敏度的影响。也就是说，当增加敏感质量时，线性度的衰减程度要 第_章 电容式微加速度计的结构设计与优化 大于灵敏度的 增加 速度。 这里非线 性度在1 0 - ， 数量 级。 本 文 在 综合 考虑测量电 路 对灵敏度与线性度的 要求， 选择敏感质量的 尾部长度为5 0 0 1 x m 。 这时结构的灵 敏度是5 . 6 6 8 f f / g ， 相对 非线性度是5 . 6 6 x 1 0 - . 3 .支撑梁的长、宽对结构的影响 支撑梁的尺寸，也就是机械结构的刚度 k ，对性能有着重要的影响。同时 刚度k 对于灵 敏度 和固 有频率这两个最重要的 指标是矛 盾的 ，刚度越大灵敏 度 越小， 谐振频率 越大。在 这里， 设定灵敏度和谐 振频 率为目 标函数，支撑梁的 长 、 宽 为 设 计 变 量 ， 分 别 分 析 了 支 撑 梁 长 为6 0 0 tim , 7 0 0 tu n , 8 0 0 tu n , 9 0 0 tu n , 1 0 0 0 tu n 时 ， 支 撑 梁 宽 取1 4 g m 之间 ， 步 长 为1 t u n 的 结 构 的 灵 敏 度 和 谐 振 频 率。如图2 . 2 8 与 2 .2 9 所示。 文 匆口长，宜 . . 八全). 里铆招长 s w 图2 .2 8支撑梁长，宽一频率 宜份招长.宽 反艘度 支幼.长.七- 斑抽度一 写 悉黑 将犷 “ 翻 、 (生，侧月斌 图2 . 2 9支撑梁 长， 宽一灵敏 度 第二章 电容式微加速度计的结构设计与优化 通过上图分析看到，灵敏度提高与支撑梁的宽度成负三次幂的关系，与支 撑梁的长度成正比;频率的增大与支撑梁的宽度成正比，与支撑梁的长度成反 比。同时根据实际加工的经验，梁的宽度太小，或梁的长度太大时，在加工过 程中容易出现下榻的现象。面对灵敏度与频率的矛盾，只有使它们达到某种折 中或平衡，使整 体性能指标 达到综合的 优化。 所以 本文选择了支撑梁长为 8 0 0 jim ， 梁宽 为1 0 r m 的 结 构 ， 这时 灵 敏 度 为3 .8 9 ff /g ， 谐 振 频 率为4 6 7 2 h z . 通过 对阻 尼， 灵敏度， 谐振频率， 线性度等主 要参数的 优化和考量，最终 的结构几何 参数选取为:电 容间 距2 g m ，极板 长度1 1 0 0 p u n .敏感质量的尾部 长为5 0 0 p u n ， 支撑梁的 长度为8 0 0 p u n ， 宽度为1 0 p u n . 结构的性能: 灵敏度为 3 . 8 9 f f 龟 ， 谐振频 率为4 6 7 2 h z ， 阻尼比 为0 .6 8 ， 非线 性度为5 .6 6 x 1 0 - 5 0 2 . 3 . 4优化方法 电容式微加速度计的优化过程如图2 . 2 9 所示， 在这里，对于微结构的优化 方法尝试给出以下几点结论: 性能参掀与几何模型参数 之间的关系表 优化方案 2 相互矛盾的性能 参致 ( 灵敏度与非 线性度) 板长 图2 . 2 9电容式微加速度计结构优化过程 ( 1 ) 列出 所要考察的 微结构的性能 参数与几 何模型参数之间的关 系。 对 于微结构， 通常各性能参数的提高对几何模型参数调整的要求往往是不一致的， 第二章 电容式微加速度计的结构设计与优化 甚至是矛盾。 ( 2 ) 提出 优化方案。 针对各种矛 盾， 在加 工条件以及各种约束允许的前 提下，提出优化方案，也就是说分别对哪些性能参数以及几何参数进行优化。 ( 3 ) 首先 选择相对独立的性能参 数项作为 第一步优化的目 标，优化结果 作为已 知量带到 下一步的优化步骤中去。 ( 4 ) 对 于相互矛盾的性能参数进 行优化， 选定对其有影响的几何模型参 数作为设计变量 ( 在这里通常是多个几何参数) ， 选择合适的参数范围， 进行遍 历寻优。 最终的 优化结果是相互矛盾的 性能 指标达到某种 折中或平衡， 使整体 性能指标达到综合的优化。 第四节 小结 在本章的主要 工作有: 第一节， 叙述了电 容式微加速度计的 工作原 理，介绍了电 容微加速度计的 常见类型，同时对电容式微加速度计的主要性能参数进行了分析，通过分析可 以看出，对于微机械结构，各性能参数与结构参数之间是紧密联系的。 第二节， 在文 献【 1 9 的 基础上， 采用了 玻 璃一硅的阳极 键合技术和 i c p深 反映离子刻蚀工艺来设计一类横向的 “ 三明治”结构，其中包括四种结构，通 过对四 种结构的分 析比 较， 我们可以 看出 增加 梳齿可以 大大提高结构的灵敏 度， 但是同时由于叉指间静电力的作用也使得下拉效应在较低的电压时发生;四梁 结构的刚 度远远高于双梁结 构，这使得灵 敏度下降， 提高了 结构的谐振频 率， 增加了 工作带宽 ;对于系统的阻尼，由于 加工工艺的限 制， 无法通过改 变腔内 的气体 介质而 可通过改 变电 容极板间隙 和极板 有效的正对 面积来实现。 第 三节， 运 用有限 元方法对所设计四 梁电 容式微 加速度计结构进行了 优化设 计;尝试给出了微结构的一般优化方法; 最终的优化结果是相互矛盾的性能指标 达到某种折中或平衡，使整体性能指标达到综合的优化。 第三章 静电梳齿驱动微夹钳的结构设计仿真 第三章 静电梳齿驱动微夹钳的结构设计仿真 第一节 微夹钳工作原理 本文的微夹钳原形是基于加拿大多伦多大学微米纳米系统重点实验室和瑞 士联邦理工学院共同研制的静电驱动微型夹钳， 如图3 . 1 。 该夹钳在微生物和生 物医学领域得到了较好的应用。结构的力驱动是采用静电梳齿驱动，而力传感 采用了梳齿电容检测结构，本章就该微型夹钳的机械表头进行了分析和仿真。 的k a io d e mwo c -. 图3 . 1 微夹钳结构 示意图1 0 ) 静电驱动式微型夹钳结构的机械表头由三部分组成:力驱动器、夹钳的左 右双臂 ( 包括 铰链结构) 、力传感 器。 如图3 . 1 所示， 左边的横向 梳齿 结构是静 电驱动器;右边的竖向梳齿结构是力传感器;中间是微夹钳的左右两臂。 当 要夹持微物体时，左 边的 梳齿 驱动 部分由 于受到 施加在可动电 极与固 定 电极 之间的 驱动电压的作用，而产生横向的 静电 力，该力使微 夹钳的 左臂向 右 靠拢，直到与微夹钳的右臂合拢;当合拢时，右臂由于受到一个夹持的压力会 产生一个偏转，这个偏转与夹持的压力是成比例;同时，该偏转使得右边力传 感器的叉 指发生移动，产生电容的 变化， 这个电 容变化通过测量电 路 测出， 并 通过反馈机制，对微夹钳的前端左右两臂实时反馈，以保证被夹持物体不被损 坏。这就是静电梳齿微夹钳的工作原理。整个过程为:激励电压驱动梳齿间产 生静电力，使得微夹钳左臂向右移动一有右臂合拢一右臂受到夹持时产生 的压力产生 偏转一)该偏转使得右边的电容 式力 传感器的叉指发生移动 一 叉 指的移动使得电容发生变化一电容的变化通过测量电路测出，并实现反馈。 第三章 静电梳齿驱动微夹钳的结构设计仿直 第二节 静电植齿驱动微夹钳的结构分析 由于静电梳齿驱动和梳齿检测有着不同的运动方式和工作原理，所以在这 一小节分别就静电 梳齿驱动器和力传感器进行结构特性的分析，然后再根据夹 持力这一相关项，建立驱动和检测两部分之间的关系。 3 . 2 . 1静电梳齿驱动器 静电梳齿驱动结构是由两组相互交叉的叉指组成，其中一组固定，另一组 与悬臂梁结构相连，成为可动指。该结构是 在1 9 8 9 年由t a n g 等提出 2 3 1 ，现己 在m e m s 中得到广泛的应用，如微加速度计， 微陀螺，微镜，微型机械臂等， 成为静电驱动的首选结构。 静电梳齿驱动结构为横向驱动，与传统的平行板电容结构相比，静电力与 位移几乎无关， 可以 获得很大的 振幅 ( l o e u n ) 。 其结构为横向 振动，受到的 阻尼很小， 品 质因 数q值一般较大。 在梳齿间 静电 力作用下， 可动电 极发生 位 移，使支撑梁发生形变;若施加的是交变信号，则可动电极在静电力与支撑梁 的弹性力作用下产生振动，这是静电驱动原理所在。 1 .梳齿间静电力 兹月餐 渭曲电妞 t)br; xss 图3 .2梳齿的结构参数12 3 1图3 3可动齿移动时静电场变化 我们首先对梳齿间产生的静电力进行分析。如图 3 .2所示，一对梳齿间静 电吸引力的大小为: f 一 1 r 矍 l v 2 2 l 汰 ( 3 . 1 ) 由( 3 . 1 ) 式可知，由于v为加在可动电极与固定电极之间的激励电压， 所 第二章 静电梳齿驱动微夹钳的结构设计仿真 ，一 _ ， 二 二 ， 。a c，二 、 ， 以，l 1m 1 i s 1 阴静 甩刀 只 勺 ， 二 - 坝有 天 。 血 当叉指间相对平动如图3 .3 所示 ( 沿x 轴 向 运动) ， 在梳状电 极形成电 容器内的电容 量为: c 二 2 n s s o 业+ (2 。 十 1)e s a 粤 k“ ( 3 . 2 ) 梳齿间重叠部分的面积发生变化导致齿间的电容变化，假设交叠区电容近似为 平 行 板 电 容 ， 则a c 可 以 表 示 为 : a c 口x r -=l 刀 白 一= ax汰 a c 2 n m b，_ ， 。、 ，_ ， 、 . 卜 、 。二 一。，二、 _ _ 一 ， : -=吊数 ，丁 足 得 沽动 饥西 猫 x力 回阴静 甩刀衣 不列 卜 : 汰g f = - ( oci v 2 一 二v 2 互 2 l a x ) s 2 n b; ( 3 . 3 ) 式中: 8 - - 叉指间 距;b 一叉指宽 度;t - 一 叉 指 厚 度;人一动、 定 叉 指的 交 叠 长度; c - 一 叉 指结构的电 容;d 一叉指顶 端与 对应叉指 根部间 距;e . c , - 介质，真空介电常数，n 一两侧都有交叠部分的叉指数。 可见， 梳 齿间 的 静电 驱动力的 大小受 梳齿 高 度b 与 梳齿间 距9 的 控制， 而 与梳齿运动的 位移无关。由于梳齿高度主要由 工艺条件 ( 如表面硅工艺中多晶 硅层厚度) 决定， 所以 增大静电 驱动力的 关键在于减小梳齿间距s = 设 支 撑梁 在x 方向 的的 等效 弹 性 系数为k , ， 则 方 程可动叉指的x 方向 位移 f n s t_ _ ， s 一 为:s _ = = = -v o k x s k . 2 .梳齿间距 电容器在电场作用下瞬时发生击穿称为电击穿。其机理为电容器介质中的 自由电子在强电场的作用下，碰撞中性分子产生新的电离，如果发生雪崩式的 电离， 就会导致介质击穿。 空气中的电 场击穿极限 约为3 x 1 护v / m， 而对于微米 级尺寸来说， 空气电场击穿极限m 增加到l o e v / n i 。 对于小于微米级的间隙来说， 已 接近空气分子的平均自由程，其结果可能引起雪崩式的电场击穿。工作电场 第二章 静电 梳齿驱动微夹钳的结构设计仿真 强 度应小于空气的 击穿极限。 梳齿的 工作偏压是6 v - 8 0 v . 由 于 在梳齿间 距g 3 0 u m 的 范围内 ，电 容器击穿电 压为 几百 伏， 因 此主 要根据使用 要 求 选取 g 2 3 1 。 但根 据 加工工艺的要求也不能 将9 取得太小， 一般取g 为 2 - 4 g m . 3 。弹性梁 弹性梁在结构设计中是十分关键的部分， 其参数与表头的分辨率、量程、 横向灵敏度等指标有着密切的关系，成为结构设计的关键。 梁形状的选取可分为一下几类:悬臂梁，双端固定梁，折叠梁，鱼钩形， 蛇形梁，以 及斜置梁等。在梁的结构参数相同的情况下， 折叠梁， 悬臂梁， 鱼 钩梁等结构的刚度均较小，而蛇形梁的刚度最小;鱼钩梁，蛇形梁以及斜置梁 的前两阶模态频率相差较小甚至相同，由于敏感非敏感方向的加速度，所以 它 们一般不适于梳齿式单轴加速度计;双端固定梁在检测方向 具有较软的刚度， 而其他方向 的刚度较大，使得二阶及二阶以 上模态频率远远大于检测模态的频 率值，这样有效的避免了交叉祸合。 ， 二，分二， 一 、。 _ . e t w 3， _._ _， ， ，* 。 _ ， ， ， 、。 ， 、 ， 田忿臂果 刚祥 任 示数 :尤=- 二- ，册四恨 文 w v c 阴寺双弹性系双为 : 4 1 a k . e t w 3 。式中:e 一杨式莫 量，t 一梁的 厚度，w 一梁的宽度，i 一梁长。 4 .谐波激励下的响应 当驱动结构在 x 方向上运动时，其运动的微分方程的一般形式为: d x -+1 亡 7 d 1 粤 十 、 2x = 二 sin un ( 3 .4 ) k ， _，_ 、 。 ，_ _ 一 _ r 。 一， _ . _ _， 式中w o =为系统的 谐 振频 率 ， 咨 分 一 = 为 系统的阻 尼比 。 丫 mm 2 m w o 静电驱动梳齿结构工作在谐振状态下，其振幅的大小，不仅与其结构参数 有关，还与激励的大小和频率有关，通过调节激励电压的频率可以使静电驱动 结构处于谐振状态下，此时可以 产生很大位移作为驱动器。 3 . 2 . 2梳齿式电容力传感器 本文中微夹钳的力传感部分采用的是梳齿电容式力传感器。梳齿式电容传 第二章 静电梳齿驱动微夹钳的结构设计仿真 表3 . 3电压与电容变化c的关系表 电压 ( v ) 1 02 03 04 05 06 0 7 08 09 01 0 0 静合力 ( x i on )1 . 9 4 4 7 . 81 83 2 . 45 0 . 2 87 2 . 4 89 8 . 6 41 3 21 6 3 . 22 0 1 . 6 ,n , c ( p f )0 . 0 0 5 90 . 0 2 40 . 0 5 40 . 0 9 80 . 1 5 20 . 2 20 . 2 9 90 . 40 . 4 9 50 . 6 1 2 第四节 小结 静电 驱动微夹钳是梳齿驱动与梳齿检测结构祸合的结构， 本章分别就静电驱 动结构和梳齿检测结构进行了分析和仿真。 本章在忽略铰链机构对能量的损失的 情况下， 分析了 激励电 压在静电 梳齿驱动产生的静电力， 从而推出该力与梳齿检 测端电容变化之间的关系。 在这里对于结构的分析是做了很多的近似， 随着进一 步的研究，可以得到更为精确的结果。 第五章 结论与展望 第五章 结论与展望 第一节 结论 本文首先简述了 微加速度传感器与微夹钳的分类、应用以及国内外的研究 现状。 本文在北京大学微电子所刻蚀工艺的基础上， 设计一类横向的“ 三明治” 电 容微加速度传感器，包括四种不同的结构。另外，本文还对电容式微加速度 传感器进行了 结构优化， 探讨了 微结构优化设计的一般策略，总结了微结构的 一般优化过程。对于静电梳齿驱动微夹钳，对静电梳齿驱动器以及梳齿传感器 进行了结构、静电 场以及静电 一结构祸合场分析。 本文的工作实现了以下几点: ( 1 )设计了一类电容式微加速度传感器 本文基于玻璃一硅的阳极键合技术和 i c p深反映离子刻蚀工艺设计一类电 容式微加速度传感器， 包括四种不同的结构。 该结构采用双端固支的双梁或四梁 做为支撑梁; 在敏感质量块的左右两边设计了附加的尾部， 增加惯性质量的同时 降低了机械热噪声; 在尾部设计叉指， 将梳齿与“ 三明治” 两种形式相结合， 有 效的利用了结构的几何空间， 较大程度上提高了结构的性能; 该结构为对称结构， 上下极板以及固定叉指通过正确的连接形成差分电容。 ( 2 ) 利用有限元方法实现微加速度传感器的结构优化 本文对所设计四梁电容式微加速度传感器进行了优化设计: 首先， 列出所要 考察的 微结构的性能参数与几何模型参数之间的关系， 对于微结构， 通常各性能 参数的提高对几何模型参数调整的要求往往是不一致的， 甚至是矛盾; 然后， 针 对各种矛盾， 在加工条件以及各种约束允许的前提下， 提出优化方案; 之后， 选 择相对独立的性能参数项作为第一步优化的目 标， 优化结果作为己 知量带到下一 步的优化步骤中去; 对于相互矛盾的性能参数进行优化， 选定对其有影响的几何 模型参数作为设计变量 ( 在这里通常是多个几何参数) ，选择合适的参数范围， 进行遍历寻优。 最终的优化结果是相互矛盾的性能指标达到某种折中或平衡， 使 整体性能指标达到综合的优化。 ( 3 )静电梳齿驱动微夹钳的设计仿真 第五章 结论与展望 本文研究的 静电 梳齿驱动微夹钳是梳齿驱动器与梳齿力传感器的祸合结构， 本文在忽略铰链机构对能量的损失的情况下， 分析了静电力驱动的结构原理， 仿 真分析了激励电压对梳齿力传感器端电容变化的影响， 建立了静电梳齿驱动端与 梳齿力传感端的联系。 可以看到由于理论分析采用了简化处理， 其结果与有限元 软件a n s y s 的分析存在较大的误差。 作为设计、仿真和优化研究的验证， 还对所设计的电容式微加速度传感器 进行了 加工、 封装与 测 试。 测 试结果是: 灵敏 度 为2 5 2 .4 m v / g ; 输出噪声为2 4 0 . 1 u g / r o o t ( h z ) ; 频响 范围4 0 h z -8 0 0 h z ; 非线性 度不超过3 % ; 该电容式微加速度 传感器的 量 程在士 1 5 g ， 根据需求该 微加 速 度 传 感器可以 运用到不同的 场合。 静 电梳齿驱动微夹钳可以 充当机器人手爪，配合驱动装置成为微机器人。由于梳 齿力传感器在检测的同时实时反馈控制夹持力的大小，还可以通过调整支撑梁 的几何参数设计出不同的夹持量程，所以该微夹钳结构在微生物以及生物学领 域有很好的应用前景。 第二节 展望 本文所设计的电容式微加速度传感器由 测试结果可以看到， 线性度还有待提 高，输出噪声较大，在接下来的工作中，这些都是有待改善的。 对于静电梳齿驱动式微夹钳， 本文是在假设铰链机构没有能量损失的情况下 做了分析， 对于微米级的目 标操作， 高的精度就显得尤为重要， 所以对铰链机构 的 分析是必要的。 考虑到微夹钳在微生 物以 及生物医学领域的应用， 微夹钳结构 前端的左右臂之间的夹钳力大小有较高的要求， 也就是说为了 保证被夹持细胞不 被破坏， 夹持力要得到实时的反馈控制， 这也是下一步研究的重点。为实现对不 同大小的微目 标进行夹持， 可以调整支撑梁的 参数， 对支撑梁与夹持量程的 研究 工作是有待完成的。 参考文献 参考文献 1 1 张兴， 郝一龙， 李志宏等. 跨世纪的新技术 微机电 系统( m e m s ) ， 电 子科技导报， 1 9 9 9 , v o l .4 : 2 -6 2 张兴 ， 黄 如， 刘 晓彦 微电 子 学概论. 北京:北京大 学出 版社 ， 2 0 0 0 3 1 a l l e n h , s .t e n y , d . d e b r u i n . a c c e l e r o m e t e r w i t h b u i l t - i n s e l f - t e s t i n g . s e n s o r s a n d ac t u a t o r s , 1 9 9 0 , a2 1 - a2 3 : 3 8 1 - 3 8 6 4 】 朱 长纯 ，刘君华. 微 机械 传感 器的 现状与发 展. 电 子元 器 件应用， 2 0 0 4 5 董景新等， 微惯性仪表微 机械加