大位移低电压的静电MEMS驱动器

制作了一种低驱动电压、位移达100μm的梳齿驱动器.为了增加驱动器的驱动位移,对驱动器的侧向稳定性进行了分析.根据分析结论,提出了一种采用小梳齿间隙,高纵/横向弹性常数比预弯曲支撑梁,无初始交叠、梳齿长度线性递增的梳齿驱动器.根据稳定性以及驱动位移和驱动电压的设计要求设计了驱动器的具体参数,并进行了器件制作.测试表明,器件共振点在573Hz,Q因子为35.88,在100μm位移时驱动电压为71V,与理论计算值相差2.1%.     

大位移低电压的静电MEMS驱动器

制作了一种低驱动电压、位移达100μm的梳齿驱动器. 为了增加驱动器的驱动位移,对驱动器的侧向稳定性进行了分析. 根据分析结论,提出了一种采用小梳齿间隙,高纵/横向弹性常数比预弯曲支撑梁,无初始交叠、梳齿长度线性递增的梳齿驱动器. 根据稳定性以及驱动位移和驱动电压的设计要求设计了驱动器的具体参数,并进行了器件制作. 测试表明,器件共振点在573Hz, Q因子为35.88,在100μm位移时驱动电压为71V,与理论计算值相差2.1%.     

大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究

分析了MEMS静电梳齿驱动工作原理,以梳齿结构和弹性梁结构为基础,综合考虑了动态特性、可靠性以及加工工艺可行性要求。提出了非等高结构、变形曲臂梁结构、位移放大驱动器、垂直Z向位移静电梳齿驱动器等四种大尺度、低电压驱动线性MEMS静电梳齿驱动器结构设计。利用CAD采用FEA法分别建模、仿真,进行了大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的动态与静态的研究,并获得20V直流偏置、位移80～130μm、驱动器面积小于2mm×2mm的结果。     

静电梳齿驱动器薄膜变形反射镜

提出一种大冲程静电梳齿驱动器微机械薄膜变形反射镜,理论上研究了静电梳齿驱动器微机械薄膜变形反射镜的静电驱动力和变形位移与驱动电压的关系,分析了变形反射镜的驱动稳定性,比较了平板电容驱动器与纵向梳齿驱动器的驱动能力.结果表明,变形反射镜的静电驱动力和变形位移没有关系;在相同的面积下,纵向梳齿驱动器的驱动力比平板电容驱动器的驱动力大很多.     

基于热模压和切削减薄工艺制备聚合物微静电驱动器

为了满足运输蛋白质、细胞等微纳米级物体的需求,有必要研制聚合物微静电梳齿驱动系统。与硅静电梳齿驱动器相比,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)静电梳齿驱动器具有成本低、成品率高、驱动电压低和能耗少等优点。首先通过微细加工工艺,制备硅静电梳齿驱动器模具。基于硅模具,利用热模压工艺制备PMMA微驱动器,再通过机械切削工艺释放制备好的PMMA微驱动器结构,得到带基底的PMMA微静电梳齿驱动器,最后通过切削减薄工艺,释放静电梳齿微结构,得到可动的PMMA微静电梳齿驱动器。驱动结果表明,PMMA微静电梳齿驱动器制备工艺具有可行性。     

梳齿式静电微驱动器的边缘效应影响分析

针对梳齿式静电微驱动器横向静电力的边缘效应问题,采用基于保角变换的修正公式和有限元法分别进行建模分析。采用修正公式虽然可以减小分析误差,但不能准确捕获边缘效应对驱动器驱动性能的动态影响过程,而有限元法能够准确捕获横向静电力受边缘效应影响而发生突变的过程。通过有限元法分析得出,驱动器的结构参数及其工艺误差均对横向静电力的边缘效应有影响,而驱动电压对边缘效应的影响可以忽略;当梳齿接近完全交叠时,边缘效应的影响显著,驱动器驱动性能具有明显的非线性特征。     

基于Si塑性变形的二维驱动器的设计

设计并制作了一种新型的基于Si塑性变形的二维驱动器,驱动器由外围垂直驱动和内部水平驱动两部分组成。驱动器的制作采用普通Si片Si-Si键合技术,首先在结构片正面制作出绝缘填充槽,以实现垂直驱动部分和水平驱动部分的电绝缘,然后利用DR IE干法刻蚀技术释放结构,最后通过Si的塑性变形工艺使驱动器外围垂直驱动部分的可动梳齿和固定梳齿在垂直方向上产生位错,成功制作出二维梳齿驱动器。经测量,驱动器垂直驱动部分可动梳齿和固定梳齿的位错量为19.8μm。     

扭梁悬臂梁支撑的扭摆式MEMS永磁双稳态机构

在进行理论分析证实可行性和模拟仿真优化参数后,利用非硅表面微加工方法中的牺牲层工艺制备了一种扭梁悬臂梁支撑的扭摆式MEMS永磁双稳态机构.该双稳态结构尺寸为1.9mm×1.6mm×0.03mm,通过永磁力实现稳态姿态无功耗保持,通过对其单侧触点施加纵向驱动力使之达到30μm的纵向驱动位移,可以实现机构的双稳态姿态切换,可以通过控制永磁体磁片、悬臂梁和扭梁的尺寸来灵活调控稳态切换所需的驱动力矩.此双稳态机构可与电磁驱动、电热驱动和静电驱动等类型的微驱动器联用构成永磁双稳态MEMS微继电器.     

扭梁悬臂梁支撑的扭摆式MEMS永磁双稳态机构

在进行理论分析证实可行性和模拟仿真优化参数后,利用非硅表面微加工方法中的牺牲层工艺制备了一种扭梁悬臂梁支撑的扭摆式MEMS永磁双稳态机构.该双稳态结构尺寸为1.9mm×1.6mm×0.03mm,通过永磁力实现稳态姿态无功耗保持,通过对其单侧触点施加纵向驱动力使之达到30μm的纵向驱动位移,可以实现机构的双稳态姿态切换,可以通过控制永磁体磁片、悬臂梁和扭梁的尺寸来灵活调控稳态切换所需的驱动力矩.此双稳态机构可与电磁驱动、电热驱动和静电驱动等类型的微驱动器联用构成永磁双稳态MEMS微继电器.     

自适应控制在纳米加工微驱动器中的应用研究

为提高扫描隧道显微镜微驱动器的响应速度和定位精度,提出了一种基于自适应理论的控制方法。微驱动器采用压电陶瓷驱动,在分析其结构的基础上,建立了驱动器的简化运动模型,利用最小二乘法对驱动器参数进行了在线辨识。把自适应控制理论引入到微驱动器的控制中,在参数自校正PID控制律的作用下,实现了PID控制器参数的自动整定。采用专用的压电陶瓷驱动电源,进行了位移的测试实验。结果表明,参考位移量为12.39μm时,相对于传统PID控制,动态响应时间由3 s缩短到1.4 s,稳态位移误差由3.2%减小到2.7%。     

新型摩擦变化式压电惯性驱动器

由于目前压电惯性驱动器普遍采用非对称性信号激励,驱动信号发生与控制系统复杂,该文提出采用对称电信号激励压电元件产生往复相同的惯性冲击力,通过控制机构和支撑面之间的摩擦力,使驱动器定向运动,形成有规律的新型压电惯性驱动器的研究方案.分析了驱动器的工作原理及结构特点,建立了驱动器的动力学模型,设计研制了基于V型导轨的摩擦变化式压电惯性驱动器样机并进行了仿真分析与试验测试,结果表明,提出的新型驱动器具有输出性能稳定,负载特性好,重复定位精度较高等特点.     

基于断骨模型自动配准的完全性骨折钢板预弯

提出了一种可以在完全性骨折手术前获取目标预弯钢板几何参数的仿真方法。通过CT扫描获取骨折部位的序列断层图像,利用Curvelet变换对CT序列图像进行去噪处理并建立三维模型。针对断骨模型的特殊结构,使用顶点法矢特征分割得到断骨截面。采用基于最小包围盒的粗配准和基于非迭代估计的精配准相结合的策略对两断骨截面进行配准,并驱动两断骨模型配准。最后拟合出预弯钢板的形态,测量其几何参数。通过对肱骨和肋骨骨折进行的实验表明,此方法可以精确地建立预弯钢板模型,大幅度缩短手术时间,提高手术质量。     

基于能量法的微驱动器静电弹性耦合分析

以微泵静电驱动结构为例,基于静电和弹性薄板理论,应用瑞利-黎兹能量法建立了周边固支边界条件下,静电驱动圆膜弯曲振动的谐振频率及相应振型的理论模型。位移振形的模态分析及频率计算结果均表明该计算实例的谐振频率为635Hz,为微驱动器的设计及控制提供了理论依据。     

一种谐振式微小型机器人移动机构

提出了一种基于谐振机理的微小型平面移动机构,由3条弹性腿足组成,在压电膜的激励下使弹性足发生振动,足端与地面产生碰撞摩擦,驱动机构行走,具有结构简单和移动速度快的优点.首先介绍了机构的行走机理,然后利用有限元法对试验样机的弹性足进行了模态分析并建立了简化动力学模型.最后实验结果表明,该样机在10 V电压驱动下,最大速度可达23.02 mm/s,证明了模型的正确性.     

一种高性能的硅微谐振陀螺

基于谐振敏感原理,设计了硅微谐振陀螺,它具有直接的准数字式频率输出、高灵敏度、参数设计灵活等优点,其结构包括质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、双端固支音叉(DETF)、激励和检测梳齿.内外质量块结构和杠杆机构特殊设计可以实现结构解耦;质量块外置、杠杆放大结构及双DETF结构可以改善结构灵敏度.模态分析和谐响应通过A.NSYS进行,公式运算和参数优化通过MATLAB实现.从仿真结果可以看出,陀螺的灵敏度值为75 mHz/(deg/s),且实现了自解耦.     

人工全膝关节置换术后早期感染的治疗

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台.给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数.通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性.结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1 μm的高精度定位.通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响.     

MEMS交叉梳齿光栅设计和优化

采用MEMS技术设计和制造了一种由梳齿驱动器驱动的新型交叉梳齿光栅,同时优化了该光栅的驱动器结构,着重分析了优化驱动器结构对光栅机械特性和光学传感特性的影响,优化后的光栅相对于未优化时具有更大的位移、更好的光学传感特性。基于PolyMUMPs工艺制作了梳齿驱动器驱动交叉梳齿光栅,并逐步分析了该光栅的加工步骤。结合有限元分析软件,对该MEMS光栅的机械特性进行了分析。分析结果表明,在85V下,该光栅驱动器的位移为2.7μm,而实际测量的位移为2.1μm。通过对该光栅驱动器结构进行优化,得到在同等电压下优化后的光栅驱动器位移较未优化时有显著提高,在85V时,优化后的MEMS光栅驱动器的位移为4.3μm。根据傅里叶光学理论计算得到,该光栅的传感灵敏度与驱动器位移成正比,经过计算得到优化后MEMS光栅的光学传感曲线更加陡峭,具有更好的传感特性。     

复合静电驱动结构致动的内旋转微镜

报道了以体硅表面硅混合微加工工艺制作在SOI衬底上的一种新型复合静电驱动结构致动内旋转微镜,其中复合静电驱动结构由一个平板驱动器和一个垂直梳齿驱动器构成.实验表明,该新型驱动结构不仅能使微镜实现大范围连续旋转,而且能使微镜实现吸合效应致自发性90°旋转.微镜的连续旋转范围扩大到约46°,同时引发吸合效应的拐点电压也增大.对于具有1和0.5μm厚扭转弹性梁的微镜,实测拐点电压分别为390～410V和140～160V.当该微镜用作光开关时,测得光插入损耗为～1.98dB.     

复合静电驱动结构致动的内旋转微镜

报道了以体硅表面硅混合微加工工艺制作在SOI衬底上的一种新型复合静电驱动结构致动内旋转微镜,其中复合静电驱动结构由一个平板驱动器和一个垂直梳齿驱动器构成.实验表明,该新型驱动结构不仅能使微镜实现大范围连续旋转,而且能使微镜实现吸合效应致自发性90°旋转.微镜的连续旋转范围扩大到约46°,同时引发吸合效应的拐点电压也增大.对于具有1和0.5μm厚扭转弹性梁的微镜,实测拐点电压分别为390～410V和140～160V.当该微镜用作光开关时,测得光插入损耗为～1.98dB.     

高过载压电驱动器设计与试验

针对现有压电驱动器不能承受高过载的问题,设计了一种基于d33结构的高过载压电驱动器,根据工艺流程制作加工了压电驱动器样品,创新性的设计了弹性金属框架对其进行预压缩封装,保证其具有较好的刚度和较高的抗拉和抗过载能力,并对封装后的驱动器进行了指标标定和高过载实验,经实验测试,该驱动器具备较高的微位移能力和抗过载能力,不仅能应用于自适应枪弹的高过载环境,还可应用于军事国防、航空航天等高过载微纳驱动领域。