微加工静电排斥驱动器特性分析

　　0 引 言

　　MEMS 驱动器以其体积小、功耗低、响应速度快并且易于和 IC 集成等特点在投影、波前像差校正以及激光通信等系统中得到广泛的应用[1-3]。MEMS 驱动器的主要性能包括行程、驱动电压、结构本征频率、以及动态响应速度等。传统的静电吸引型驱动器由于受静电“吸合”效应的限制，其最大行程不会超过电极板初始间距的 1/3。相对于静电吸引型驱动器，静电排斥驱动器克服了“吸合”效应对其行程的限制，具有较大的驱动范围[4-5]。在 MEMS 领域，驱动器响应速度和工作带宽由微结构自身的本征频率和周围流体介质的压膜阻尼作用共同决定。一般情况下微驱动器应用于空气介质中，压膜气体效应是产生动态阻尼的最主要因素。当驱动器的可动平板在激励电压的作用力下相对于固定电极板作小幅度的简谐振动时，驱动器周围的空气被有规律的“挤出”或者“吸入”平行板之间的缝隙，从而在可动极板上产生一个始终与其振动方向相反而与振动速度成正比的阻尼力。当可动电极板上存在释放孔时，极板间的气体分子不仅存在平行于极板的层流运动，而且可以通过释放孔流入流出，从而阻尼效应会得到一定程度的衰减。已有关于空气阻尼效应的理论研究用于估计在上述情况下空气薄膜产生的阻尼力[6]，但很少有针对具体结构的实验研究。

　　本文设计并加工了一种静电排斥型 MEMS 驱动器，结合数值计算方法和实验分析了驱动器的静态特性和动态特性。建立了静电排斥驱动器的动态分析模型并利用数值方法对驱动器的压膜阻尼特性进行了计算，其分析方法也适用于一般的 MEMS 器件的动态分析。

　　1 静电排斥微驱动器的工作原理

　　1.1 静电排斥力

　　静电排斥型 MEMS 驱动器是基于空间非均匀电场可以产生静电排斥力的原理设计而成的。改变空间电极的排布方式，空间电场的分布将会产生相应的变化。根据电磁场理论，极板所受的静电力是电场能量对极板位置的偏导数[7]。空间电极如图1(a)、(b)所示方式排列，中间两个电极施加高电压 V，两侧的边缘电极施加零电位，相应的电场分布可由电磁场有限元分析软件得到，如图1(c)所示，从图 1(c)可以看出，上电极板周围的静电场分布是不均匀的，电极板上表面的场强大于其下表面的场强，左右两侧的电场对称分布，则上极板上表面所受的向上的力大于下表面所受的向下的力，从而使得上极板受到的静电合力表现为竖直向上的静电排斥力，见图1(d)。

　　1.2 驱动器结构原理及工艺流程

　　根据以上原理，我们设计的 MEMS 驱动器如图 2(a)所示，它由 5 组驱动电极组成：中央质量块和其下方的中心电极以及由四周的 L 形支撑梁形成的四组驱动电极。上层 L 形梁兼作中央质量块的支撑结构，其下方为三个固定下电极。如图 2(a)所示，作为中央上电极的中央质量块和 L 形支撑梁及它们下方的中央下电极连成一体，为驱动器的正电极;所有的边缘下电极连成一体为驱动器的负电极。当在驱动器的正负电极之间加上电压时，所有 5 组电极都形成图 1(c)所示的非均匀分布的电场，产生向上的驱动力，在竖直驱动力的作用下，中央质量块向上做离面运动，同时 L 形支撑梁发生弹性变形，当 L 形支撑梁的弹性恢复力与静电排斥力相等时，驱动器达到平衡状态。如图2(b)所示为驱动器的变形图。