之字型支撑梁硅微谐振器机械性能分析

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)技术自20世纪80年代末开始受到许多国家的广泛重视,并在随后的十几年中得到了长足的发展[1]。微驱动器既是能量转换装置,又可成为执行机构,是微机械的核心部分,它将电、磁、热、光等多种形式的能量转换成机械能并对外做功[2]。

　　静电梳状谐振器(electrostatic comb-drive2actuators)由Tang等[3]在1989年提出,最初被用作微传感部件,后又被用作微驱动器。由于结构简单,并与集成电路工艺兼容,静电微谐振器已在微机电系统尤其是硅微机械器件中得到广泛的应用,如微加速度计[4]、微陀螺[5]、微振动电动机[6]等。谐振器性能的优劣直接决定了微系统的性能的好坏,因此,对谐振器的结构设计和性能分析在MEMS研究领域受到普遍重视。

　　谐振频率是微谐振器设计中一个最重要的性能参数,其范围决定了微谐振器的应用场合,因此,研究人员在分析设计过程中,始终将谐振频率作为研究重点[7~9]。

　　根据支撑梁形式的不同,微谐振器可以分为直脚型[10]、蟹脚型[11]、弓型[12]、之字型等。之字型微谐振器重复折弯支撑梁的结构特点,使其与其他支撑类型相比,可以在不增加支撑梁的垂直长度的情况下增大支撑梁的实际长度,从而达到在不增大构件特征尺寸的条件下降低谐振频率的目的。在一些要求低频的场合[13],该类型的谐振器能在有限的尺寸空间内满足设计者的要求,从而扩大了硅微谐振器的应用领域。

　　早期的研究者根据双侧支撑梁静电硅微谐振器结构上的双轴向对称性,只取其四分之一为研究对象进行受力分析,所建的力学模型均为静定力系[14]。我们在研究中认为,该力学模型的受力是单轴对称的,取其一半进行分析,发现该问题为超静定问题,在此基础上,得出了更符合实际情况的分析结果[10~12]。

　　1　之字型微谐振器的结构与工作机理

　　多晶硅静电式微谐振器是广泛应用的薄膜微器件之一,也可作为微马达或者叉指式驱动执行器。图1为利用表面硅微加工工艺制作静电硅微谐振器的工艺过程。该工艺适合加工悬置于基体表面上、相对较小、具有一定活动自由度的薄膜元件。它是以基底材料作为机械支撑,然后在其表面上利用沉积和牺牲层等技术进行微元件的加工制作。

　　典型的微谐振器结构(图2)由三个电极组成:一个谐振板(B电极)、两个静电梳状驱动器(A和C电极),谐振结构由单根或折叠式梁所支撑。B电极位于A、C电极之间,固定的A和C电极用于驱动或检测。激发谐振器结构需要加交流和直流电压,通常是一个电极(A极)用于驱动,另一个电极(C极)用于控制。由于结构尺寸的微型化,给微谐振器的设计提出了很高的要求。本文利用力学理论,对典型的之字型微谐振器的静力学特性及其性能进行分析,从而为微谐振器的结构设计提供参考依据。