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微夹持理论与系统的研究

作　者: 李勇
导　师: 李庆祥
学　校: 清华大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 微夹持器 静电驱动 梳状驱动器 体硅工艺 有限元方法
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
下　载: 518次
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内容摘要


论文综述了微夹持器的研究进展、发展趋势和技术特点。总结了微机械悬臂梁的静电、压电、热、电磁等驱动技术，推导了计及边缘效应的梳状静电驱动器静电力公式。本文设计了大深宽比梳状静电驱动形式的微夹持器，采用了导电型并接地连接的微夹持臂，对被操作对象无特殊要求，且可防止静电对操作的影响。将梳状静电驱动微夹持臂设计成柔性结构，有效解决了静电力小与硅材料的弹性模量高之间的矛盾，使得微夹持器的力输出大大增加。建立了S形柔性夹持臂力学模型，同时给出考虑工艺条件、几何参数等条件下的微夹持器优化设计过程。设计中用有限元方法进行夹持臂模态分析、柔性结构刚度估计等，并对微夹持器工作电场的进行仿真，以考察静电驱动对微操作对象的影响。有限元分析表明，柔性结构使得微夹持臂的刚度降低，而且微夹持臂具有很高的一阶频率，静态设计设计即可满足要求，梳状静电驱动器不会对微操作构成影响。设计了梳状静电驱动微夹持器的微细加工工艺，对微夹持器制作中的关键工艺进行分析，包括：钻蚀现象、滞后现象、阳极键合、金层剥落等问题。进行了大量的工艺试验和分析，特别对大深宽比的超长长度悬臂梁型夹持臂及梳状驱动结构进行了深入研究，解决了微细加工工艺中的关键技术。成功研制了一种静电驱动微夹持器，其具有大深宽比梳状驱动器，悬臂梁型微夹持臂宽度为6μm，等效长度达5471μm。对微夹持器的特性进行了测试。采用“显微镜-CCD-微机”测试方案，微夹持器的状态信息通过数据采集及图像处理获取，得到“电压－位移”特性曲线并建立了数学方程。测得夹持器的开合范围为12～140μm，夹持力大于12μN。分析结果表明与理论设计一致，方案新颖，合理可行。

全文目录


第一章 绪论  8-21
  1．1 微机电系统发展概况  8-9
  1．2 微夹持技术及微夹持器发展现状  9-19
    1．2．1 静电驱动微夹持器  10-11
    1．2．2 压电驱动微夹持器  11-12
    1．2．3 热驱动微夹持器  12-14
    1．2．4 电磁驱动微夹持器  14-16
    1．2．5 电致伸缩离子交换薄膜材料驱动微夹持器  16
    1．2．6 复合结构微夹持器  16-17
    1．2．7 其它工作原理的微操作工具  17-18
    1．2．8 微夹持器发展小结  18-19
  1．3 论文来源与任务  19-20
    1．3．1 课题来源  19-20
    1．3．2 论文主要任务  20
  本章小结  20-21
第二章 微夹持器驱动技术研究  21-44
  2．1 静电驱动  21-29
    2．1．1 静电驱动基本原理  21-24
    2．1．2 平板悬臂梁静电驱动  24-25
    2．1．3 梳状静电驱动  25-27
    2．1．4 静电驱动的边缘效应  27-29
  2．2 热驱动  29-32
  2．3 电磁驱动  32-34
  2．4 压电驱动  34-40
    2．4．1 位移放大机构的压电驱动  34-36
    2．4．2 压电薄膜驱动  36-40
  2．5 超磁致伸缩驱动  40-43
  本章小结  43-44
第三章 微夹持器设计  44-63
  3．1 微夹持器总体方案  44-45
  3．2 结构设计  45-56
    3．2．1 微夹持器布局形式  45-48
    3．2．2 微夹持器结构参数设计  48-54
    3．2．3 微夹持器工艺结构设计  54-55
    3．2．4 微夹持器结构设计  55-56
  3．3 微夹持特性分析与仿真  56-62
    3．3．1 柔性结构对结构刚度的影响  56-57
    3．3．2 夹持力分析  57-59
    3．3．3 夹持臂模态分析  59-61
    3．3．4 微夹持臂动态响应分析  61
    3．3．5 夹持器工作电场模拟  61-62
  本章小结  62-63
第四章 微夹持器加工工艺研究  63-75
  4．1 微夹持器制作工艺设计  63-67
    4．1．1 基本工艺  63-65
    4．1．2 工艺设计  65-67
  4．2 微夹持器制作工艺难点  67
  4．3 工艺分析  67-73
    4．3．1 结构设计对蚀刻的影响  67-69
    4．3．2 蚀刻时间对结构的影响  69-70
    4．3．3 硅片质量对器件的影响  70-71
    4．3．4 硅－玻璃键合失效  71-72
    4．3．5 金属键合层剥落  72-73
  4．4 微夹持器微细加工结果  73-74
  本章小结  74-75
第五章 微夹持器试验研究  75-90
  5．1 微夹持器测试  75-80
    5．1．1 试验准备与试验注意事项  75
    5．1．2 微夹持器几何尺寸检测  75-78
    5．1．3 微夹持器位移特性测试  78-79
    5．1．4 微夹持器耐压测试  79-80
  5．2 位移特性数据及处理  80-86
    5．2．1 微夹持器图像数据处理  80-83
    5．2．2 微夹持器位移特性  83-86
  5．3 微夹持器特性分析  86-88
  5．4 设计误差分析  88-89
  本章小结  89-90
第六章 总结  90-92
  6．1 论文工作主要内容  90-91
  6．2 论文工作的主要贡献  91
  6．3 对下步研究工作的建议  91-92
参考文献  92-99
在学期间发表的学术论文  99
在学期间发表的发明专利  99
个人简历  99-100
致谢  100

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 一般性问题 > 结构
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