摘要：多层悬臂粱MEMS器件具有广泛的应用,其吸合电压对器件性能有重要影响。通过选取合适的挠度试函数,并考虑多层悬臂梁中的绝缘层对等效间隙高度的影响,运用能量法分析了多层悬臂梁在静电作用下的弯曲情况。推导出了梁在发生吸合现象时,其自由端归一化的挠度值和对应的吸合电压的解析表达式。用Coventor软件中的CoSolveEM模块验证所得公式,表明模型具有较高的精度。所得结论对静电执行结构设计具有一定的参考价值。

摘要：针对静电驱动微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)器件中常见的阶梯型微悬臂梁结构,提出一种吸合电压的计算方法。基于欧拉梁理论和修正的偶应力理论,运用能量法推导出吸合电压理论模型。采用试函数与待定系数的积来表示微悬臂梁位移,利用泰勒展开来简化求解过程。通过与有限元结果对比来验证模型的正确有效性,讨论试函数的选取以及泰勒展开阶数的确定,并与传统质量弹簧模型方法进行对比,最后研究其吸合特性。结果表明,泰勒展开阶数取8时截断误差可以忽略,试函数选择阶梯型微悬臂梁位移函数,理论模型预测误差小于5%,预测结果明显优于传统方法。吸合电压随宽度比增加而单调递增,随长度比增加出现先减小后增加的变化现象,可为低驱动电压MEMS器件设计提供参考。该理论模型中考虑了边缘场效应、尺度效应的影响,可应用于微纳米尺度的微悬臂梁的吸合电压预测。

摘要：通过研究提出了一种新颖的利用微光机电系统技术(MOEMS)制造的光栅平动式光调制器GMLM,它可以利用衍射原理对光进行动态调制,其设计适宜形成二维光调制器阵列。针对GMLM,分析并给出了其准静态下的吸合电压计算公式。考虑到MEMS器件的尺寸效应,对电容的边缘场效应影响不能忽略。文中对GMLM器件的边缘场效应影响因子进行了公式推导,并针对GMLM修正了传统的平行板执行器吸合电压计算公式。实验结果证明,修正后的理论公式可以较好地预测GMLM的吸合电压值,与实际测量值的误差为4.3%。

摘要：基于应变梯度理论,建立静电力驱动微梁的控制方程,通过瑞利-利兹法对微梁的控制方程进行降阶,得到一组非线性代数方程。利用牛顿-拉菲森法求解该方程组,确定微梁的吸合电压,分析应变梯度对吸合电压的影响规律。结果表明,当微梁的无量纲厚度减小时,无量纲吸合电压将显著增大,表现出明显的尺寸效应;随着材料内禀特征长度的增加,无量纲吸合电压的尺寸效应也越显著,说明应变梯度对微梁的吸合电压影响显著。随着微梁无量纲厚度的减小,残余应力对无量纲吸合电压影响显著,可以减弱应变梯度对无量纲吸合电压的影响;同时应变梯度可以显著降低中面伸长对吸合电压的影响。分析结果可为微机电系统中微梁的设计提供参考。

摘要：微镜阵列芯片是大尺寸画面投影显示系统的主流光学图形产生器。针对德州仪器公司的数字微镜芯片中微镜吸合电压较高的问题,本文采用CMOS后端金属互连层制备隐藏垂直梳齿电极驱动的低吸合电压微镜,在CMOS后端工艺中基本完成MEMS微镜阵列的结构制备,然后在CMOS工艺后附加少量的Post-CMOS工艺。我们采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M)CMOS工艺设计和制造了2种1×8规模集成了隐藏式梳齿驱动器的静电驱动双稳态微镜阵列,并且片上集成了CMOS驱动电路。微镜尺寸为18μm×18μm,像素间距为20μm,占空比为81.0%。采用有限元仿真软件计算了微镜结构的电力耦合特性。在大气环境下,仿真结果表明:具有TiN/Al/TiN扭臂的微镜A的静态吸合电压为19.25 V,具有TiN/Al/TiN扭臂的微镜B的静态吸合电压为3 V。测试结果表明:微镜A典型的吸合电压为21 V,与仿真结果接近。微镜A和B吸合电压正在逐步实现与CMOS电路工作电压兼容,可以将驱动电路与微镜阵列单片集成,从而为实现工艺和工作电压与CMOS工艺全面兼容的数字微镜阵列奠定了基础。

摘要：针对惯性开关通用性的要求，设计了一种具有阈值可调功能的微机电惯性开关。利用CoventorWare软件中的Architect模块对该悬臂梁结构开关进行系统级仿真。仿真结果表明，开关在半正弦加速度信号作用下，加速度阈值和电压基本呈线性关系，通过调整偏置电压的方式，可测量不同阈值加速度；以500g为一档，调节加速度阈值范围为1000~4000g，开关最长响应时间为63.44μs，接触时间无穷大，表现出良好的工作性能。考虑MEMS薄膜沉积工艺在加工4μm厚的悬臂梁时存在±0.1μm加工误差，应用蒙特卡洛法分析悬臂梁厚度在3.9~4.1μm之间变化时，对开关吸合电压和闭合时间的影响，结果表明，±0.1μm的加工误差对开关吸合电压和闭合时间影响在设计允许范围内。

摘要：建立了一种两端固支微开关梁的静力变形分析模型,该模型将受电场力作用的两端固支微开关梁的受力变形分为三个阶段:梁受电场力作用、梁中点不受约束的变形阶段;梁受电场力作用、且梁中点变形受约束的变形阶段,即此时在梁的中点还要受到一支反力的作用;梁受电场力和一个附加支反力作用,并在梁的中间一段具有指定的位移和转角的变形阶段;在第二阶段中梁所受支反力的大小及第三阶段中梁所受支反力的大小和位置都与驱动电压有关。在实例中,设计了一种求解各未知量的迭代方法,并给出了部分计算结果,包括:梁中点挠度和驱动电压间的关系、梁中点挠度和梁中点弯矩间的关系、梁长对吸合电压影响、驱动电极长对吸合电压的影响等,从中可得出一些有益的结论。

摘要：工程中许多微机电系统都采用电容驱动原理 ,这类结构实际上存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合 ,因此系统的动态特性比较复杂。本文基于一种扭转微镜系统 ,通过数值分析方法 ,研究其非线性动态特性 ,根据理论分析和数值计算证明该系统在相平面中存在两个奇点 ,一个是稳定中心 ,一个是鞍点 ,且两个奇点位置均随施加电压的变化而逐渐靠近 ,从而得出系统的静态分叉点 ;同时分析了有阻尼和无阻尼时电压的变化对相轨道的影响 ,以及阻尼对吸合电压的影响 ,吸合电压随阻尼的增大而提高 ,这些研究结果不仅对扭转微镜的设计和应用提供了理论和方法 。

摘要：建立了一种新型纯数字式加速度传感器的理论模型,通过检测吸合时间差检测加速度.该传感器不存在吸合电压的限制,避免了寄生电容的影响,其芯片面积远小于传统电容式加速度传感器;由于输出时间信号,可采用简单的纯数字接口电路检测.理论分析表明,质量块在两个检测电极之间的吸合时间差ΔT与加速度成正比关系,通过检测ΔT的变化即可检测加速度,其灵敏度、非线性与传统电容式加速度传感器相当.设计了一个悬臂梁-质量块结构的加速度传感器,芯片有效面积仅为0.03mm2,模拟结果显示,工作电压为8V,加速度为1gn时,吸合时间的变化ΔT为1.0554μs.采用TTL电路进行检测,其分辨率可以达到0.01gn,满量程±10gn工作时,非线性度为1.23%.

摘要：建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。