基于ANSYS的静电微执行器吸合现象分析.pdf

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1、高新技术Chi2014NO．O8(下)naNewTechnoloziesandProd；基于ANSYS的静电微执行器吸合现象分析●郑丽云龚友平刘彦辉(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州310018)摘要：本文基于静电场和弹性薄板理论，对MEMS静电结构的吸合现象进行了理论分析并给出公式化结果。然后借助于有限元分析软件ANSYS，对微开关中的静电驱动微悬臂梁进行分析，得到其吸合现象对应参数的标准数值，最后实现理论数值和标准数值的比较，以期对MEMS微执行器设计提供一定的理论支撑。关键词：MEMS；吸合；静电力；顺序耦合中图分

2、类号：TNTO文献标识码：A随着微机电系统技术(MEMS)的弹性梁会产生弹性力来平衡静电引力，发展，静电力被普遍选作为MEMS传=毒=(1)假设极板间距缩小x，此时，系统达到感器、执行器的驱动方式，它将点电荷平衡，则：之间的电场力转化为驱动力。通常以单式中电容C为：1端固定的横梁作为传感器的机械力驱动=(5)C：—2CrAf2部分，在横梁下设置有固定电极，用极—、板间的电场力驱动横梁运动。采用电压o将上式化简成关于x的函数可得：或者电荷控制驱动器时，当结构的可动式中：A是两板之间正对面积，￡电极运动位移达到特定值时，呈线性变是

3、真空介电常数，s是相对介电常数，_2dox2+d~等(6)化的弹性力和呈非线性的静电力处于平dn是极板间初始距离。衡状态，由于电场力变化的速度远大于由此可以得到电容器存储能量与电假设在施加电压V。时，系统达到横梁弹性力变化的速度，当施加电压或容极板距离之间的关系为：平衡，做功为零，则由：_dV电荷超过某临界值时，就会产生横梁被：0将(6)固定电极突然吸合的现象。了解静电力。2．d(、3)式两端分别对x求导得：驱动的基本原理以及吸合现象的产生是o3x一4dox+=0(7)提高静电力驱动器件研究水平的关键内上式中，w对极板间距离d

4、。求一阶容。偏导，即可得到极板之间的静电吸引力最终求得平衡临界位置xp(0

5、距离减小而=(9)连线。同样处于空间介质中的两个增大。点电荷同样适用于库仑定律。·2静态吸合分析由式(6)利用Matlab软件可得到1．2微开关电容器简化模型2．1模型假设与简化电容极板两端施加的电压与平衡位置的为了分析静态吸合现象，我们需要关系曲线如下图。由图2可知随着施加对所提出的电容模型做一定的假设和简在电容器极板两端的电压逐渐增大，可化：即忽略惯性阻尼等因素的影响，极动极板的位移逐渐增大，系统此时处于板间施加电压变化缓慢以至于可动极板稳定平衡状态，当平行板电容器极板两在电场力、上极板回复力共同作用下在端的电压增大到吸合

6、电压时，即系统达弹性回复力任意时刻都能够保持在稳定状态，可动到临界平衡点，也就是图中的曲线的最V极板的速度以及加速度都为零且期问不电场力右侧位置；此时系统也处于平衡状态，会存在震荡现象；极板的运动是理想化如果继续增加电压，系统就会瞬间崩塌，的，即为可动极板只能随弹性梁和敏感可动极板和固定极板将迅速吸合在一质量块在固定极板的上方做垂直运动。图1平行板电容模型起。结合式(8)、式(9)可知为使系2．2微开关的静态吸合现象统保证平衡稳定状态，驱动电压不应超如图1所示，当给两个平行极板形对于常见的MEMS加速度计系统，过临界电压V。，

7、其对应最大平衡点位置成的电容器两端施加电压V时，电容极静电方驱动结构常常是由固定极板、可为板间带有极性相反的电荷量Q并由因此动极板、弹性梁和敏感质量块组成。可产生静电吸引力F。此时，电容器存储动极板往往和弹性梁以及敏感质量块连粤能量为：接在一起。当极板间发生静电作用时，中国新技术新产品一29一2014N0．08(下可高新技术霉82粤电压(V)28图2电容器极板吸合电压与上极板位移变化曲线图3驱动电压和悬臂粱端点位移关系表1微开关的参数模型极板参数微梁长极板宽度极板厚度极板间隙弹性模量泊松比取值150um4um2um2urn1．

8、69e50．O66悬臂梁建模选用SOLID45单元，静致。3有限元仿真分析电场建让模选用TRANSI26单元，该单元结语在MEMS传感器、执行器设计中，支持在节点x、Y和z方向上的运动。本文对平行板式静电微执行器的典通常以单端固定的横梁作为传感器的机可以联合多个单元来表示设备