端面约束单晶硅直梁MEMS扫描微镜应力特性研究

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1、规械度2009，31(2)：225．230端面约束单晶硅直梁MEMS扫描微镜应力特性研究STUDYONSTRESSESCHARACTEI江ST【CSOF佃僵SSCANNINGMⅡCROM[【】RRoRWITHEND—RESTRADDSGLECRYSrI’．ALSILICONToRSIoNBAR穆参军张飞岭张宁赵本刚吴亚明(1．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)(2．西安电子科技大学电子工程学院，西安710071)(3．西安市户县质量技术监督局，西安710300)MUCanJunZHANGFeiLing’ZHANGNing

2、~ZHAOBenGangWUYaMing(1．ShanghaiInstituteofMicro-systemandInformationTechnology，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200050，China)(2．SchoolofElectronicEngineering，XidianUniversity，Xian710071，China)(3．HuCountyBureauofpyandTechnicalSupervision，Xian710300，China)摘要结合微机电系统(micro-elec

3、tronic．mechanicalsystem，MEMS)扫描微镜结构以及单晶硅材料正交各向异性的特点，理论分析端面约束单晶硅直梁MEMS扫描微镜的应力特性，得到器件工作时扭转梁上正确的应力分布及其特征，所得结论与有限元仿真结果进行比较。结果表明由于端部约束效应的影响，作用在MEMS扫描微镜上的驱动力矩分别通过纯扭转力矩和横向弯矩，在扭转梁上传递，导致在扭转梁产生正应力、附加剪切应力和扭转剪切应力，其中扭转剪切应力最大值位于扭转梁中部截面长边中点处，而正应力和附加剪切应力最大值分别位于约束端部截面四角处和截面短边中点处。随着扭转梁截面形状趋近

4、于窄的矩形，端面约束效应会愈加明显，约束端部截面的正应力越大于其他两种应力，经过有限元分析获得与分析解较为一致的结果。关键词微机电系统扫描微镜约束扭转单晶硅直梁横向弯矩扭转力矩中图分类号TN302TB125Al~raetThestressescharacteristicsofmicro-electronic—mechanicalsystem(MEMS)scanningmicromirrorwithend-restrainedprismaticbarsofrectangularcrosssectionareinvestigated，consid

5、eringtheactualstructuresofMEMSscanningmirrorandtheonllicmaterialanisotropyefectsofsinglecrystalSilicon．TheaccuratestressesdistributionsonthesinglecrystalSiliconprismaticbarandtheircharacteristicsareobtainedrespectively，whileMEMSscanningmicmmirrorisinoperation．Ithasbeenshown

6、thatthedrivingtorqueofMEMSscanningmirroraretransferredonthetwistingbarsthroughpuretorsiontorqueinthemiddlecrosssectionsandtransver~bendingmomentnearthefixedcrosssectionsduetotheefectsonrestrainedwarping．Asaresult，thelongitudinallynormalstressandadditionalshearingstressappea

7、ronthetwistingbarsaswellastorsionshearingstress，andthelongitudinalynormalstressusuallyislargerthantheotherswhenthecross—sectionofprismaticbarclosestothenarrowerrectangularsection．TheseconclusionsalegreatusefultounderstandthestressesdistributionofMEMSscanningmirrorinordertoi

8、mprovethereliabilityofMEMSscanningmirrorwhiledesigningthedevic—es．KeywordsMicro-de