静电梳齿驱动微夹钳的设计与制造

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1、摘要本文主要是介绍一种通过有限元仿真分析进行微夹钳设计的方法。首先以设计目标量化方法进行微夹钳的总体设计。然后通过微夹钳的梳齿驱动单元有限元仿真设计，微夹钳机械结构有限元仿真设计，详细设计微夹钳的梳齿驱动单元，微夹钳的机械结构。并依托北京大学微电子所的MEMS体硅工艺线，设加工制造出微夹钳微夹钳器件。通过初步的测试，进一步验证了微夹钳的设计。本文提出了基于目标量化方法的微夹钳总体设计，首先按照需求和材料性能限制提出总体的设计目标。然后按照目标量化的方法将总体目标细化分解。使用了ANSYS通用有限元仿真软件对微夹钳的机械结构进行

2、仿真设计，通过微夹钳的结构中双端固支梁和位移放大杠杆结构的分析，以及有限元的静力分析，分析微夹钳开口度是否满足要求，微夹钳的应力强度是否超过许用应力值。同时进行模态分析，为微夹钳的驱动频率和模式提供参考。最后还通过瞬态分析，验证了瞬态分析和静力分析的一致性。使用了ANSYS通用有限元仿真软件对梳齿驱动单元进行仿真设计。首先通过建立横向梳齿驱动静电场有限元模型，分析了驱动电压、缝隙大小、梳齿的长度、以及梳齿厚度等关键参数静电力输出的影响。同时利用ANSYS中电容提取模块CMATRIX，从静电力产生的根本原理，进行进一步验证了理论

3、公式的正确性。本文还针对传统ANSYS静电场有限元模型中存在误差大于16％以上的现象进行剖析，倒角补偿模型方法，通过调整倒角的半径可以使误差降低到6％左右，再同时使用端部电场区域网格进行局部再细化，可以把结果误差降低到1％以下。通过仿真分析得出一个结论：对梳齿驱动静电场分析时，单元的类型与分析方法都不是关键问题，最重要的是静电场模型改进。最后我们依据北京大学微电子所的MEMS体硅工艺线，设计并加工制造出微夹钳微夹钳器件。通过初步的微夹钳的视频进行图像处理分析验证了该设计的可行性，为该微夹钳的进一步完善和实用化打下了良好的基础。

4、关键字：静电梳齿驱动微夹钳有限元AbstractThepaperisfocusedonthemethodofdesigningandfabricationofamicro—gripperbasedonthefiniteelementsimulation．Firstly，roughlydesignthemicro—gripperbasedontherequirements，andthenquantifyitasconcretedesignparameter．Andthenthecombdrivercellandthemechan

5、icalstructureofmicro-gripperisdetailedlydesignedbasedontheresultofthefiniteelementsimulation．Finally，themicro-gripperisfabricatedthroughtheMEMSbulkmicromachiningtechnologyofInstituteofMicroelectronic，PekingUniversity．Graphprocessingresultshowthedesignofmicro-gripper

6、．isfeasible．Inthispaper，intheoveralldesignperiodthedesigngoalispresentedbasedontheuser’requirementandtheoverallobjectiveisdecomposedandquantifiedasthelengthoftheflexuresofactuator，thearm’slength，thenumberoftheactuatorcombsandthewidthofthegap．Themechanicalstructureof

7、micro-gripperissimulatedincommonusedfiniteelementsimulationsoftware，ANSYS．Thedouble．endfixedbeamandthedisplacementamplificationleverstructureofthemicro—gripperareanalyzed．openrangeoftheendofgripper’armandthestressdistributionofmicro—gripperisChecked．Modalanalysispro

8、videsareferencefrequencyandmodewhenthemicro—gripperisactivated．Finally，theconsistencyofthetransientanalysisandthestaticanalysisisverifiedb