弯曲悬臂梁静电执行器驱动特性的实验研究.pdfVIP

弯 曲悬臂梁静 电执行器驱动特性的实验研 究 刘素艳 ，牛 凯 ，叶雄 英 ，周 兆英 (清华大学精密仪器 系微机械教研 室，北京 100084) E—mail：yexy@pim．tsinghua．edu．cn 摘要 ：研究了一种弯曲悬臂梁静 电执行器。该悬臂梁一端 固支 ，另一端 自由翘 离基底 。在静 电力 作用下 ，悬臂梁粘连的位置和长度 会改变 ，使 得执 行 器的 电压一位移 特性 严 重依 赖加 载历 史 。研 究 了在 不同电压加载方式下 ，悬臂梁粘连点 、端部位移 的变化 ，以及这种 变化对驱动 电压 的影 响 。实 验研 究 了悬臂梁在方波 电压 下的振动 ，并设计 实验 系统测量 了吸下和弹起 时间 。 关键词 ：弯 曲悬臂梁；粘连 ；吸 下电压 中图分类号 ：TN256 文献标识码 ：A 文章编号 ：1671—4776(2003)07／08—0375—03 Research ofactuation characteristicofacurved cantileverelectrostaticactuator IIU Su—yan，NIU Kai，YE Xiong—ying，ZHOU Zhao—ying (Micro-nanoCenter，Dept．ofPrecisionInstruments，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China) Abstract：TheresearchiSaboutacurved cantileveractuat．or．Thecantileverisfixedatoneend， and theother end curlsup from the substrate． Theposition and length ofcantilever stiction changewithstaticdrivenvoltage，SOthevoltage—displacementcharacteristicdependsonloadhisto— ry．Thechangesofstietionandtipdeflectionareresearched．Experimentsaboutvibration ofcan— tileverunderpulsevoltagewerecarriedout。andthesnap—downandcurl—uptimeweremeasured． Keywords：curvedcantilever；stiction；drivenvoltage 士 我们使用 的弯 曲悬臂梁执行器利用硅表面工艺 百 制作 ，弯 曲梁 由多晶硅和氮化硅组成 ，氮化硅 的残余 在多种 MEMS执行器 中，静 电驱动执行器 以其 应力使微梁翘起 。实验选取端部位移 180~m 的弯 能耗低 、效率高的优 点而被广泛应用 ，但是静 电驱动 曲悬臂梁执行器，多晶硅厚 2m，氮化硅厚 180nm， 有位移小、驱动 电压高 的缺 点 ]。一种新型弯 曲悬 绝缘层为 1800nm／250nm 的氮 化硅 ／--氧化硅层 ， 臂梁执行器克服 了静 电驱动的缺 点，该种执行器可 梁 固定端距基底 2m，梁宽 200~m，长 960~／m。图 1 用于 MEMS光开关驱动 ]。弯 曲悬臂梁 的一端与 (a)是悬臂梁的显微镜 图，图 1(b)是示意 图，在悬臂 基底 连接 ，另一端 自由翘 离基底 ，端 部位移达几百微 梁 固定端附近有一小段粘连 在基底上l3]。选择 三种 米 。这种执行器的驱动特性不 同于一般 的平行板 ， 不 同电压加载方式 ，研究悬臂梁 的静 电驱动特性 。 国内外在这方面 的研 究不 多 。在大量 实验 的基础 上 ，我们研究 了这种执行器的静 电驱动特性 ，为进一 步应用提供 了基础 。 2 悬臂梁 电压驱动特