引导硅微结构弹性系统的力学分析方法

　　近年来,生物、环境控制、医疗器械、数字通信、传感技术以及灵巧武器等领域,对机械装置微小型化的要求,促使集微电子与机械为一体的微机械系统(M-icro Electro Mechanical System, MEMS)得以产生并迅速发展。以机械谐振原理设计的静电梳微谐振器在微机械领域中广泛应用,既可作直线型驱动装置,又可作为传感器中的微感受单元,典型结构如图1所示。它的左右端各有一排交错对差的梳齿平板,由弹性系统支撑悬空于基平面上方大约2Lm处,整个微结构由一层多晶硅膜在单晶硅的基平面上,用IC工艺加工而成。在驱动电压的作用下,活动梳齿受到一水平方向的静电力作用,使整个结构产生平行于单晶硅衬底的横向运动。

　　图2为将谐振器中的所有活动梳齿,简化成一个带质量的谐振体后,两种不同形式的弹性系统支撑下的静电梳微谐振器的简化力学模型。这两种结构形式是目前最常用的,其中一种弹性系统由上下左右对称的四根弹性直杆组成,称为直脚型结构,如图2a所示;另一种结构的弹性系统由四根对称的L型弹性杆组成,形象地称为蟹脚型结构,如图2b所示。这两种结构有较大的横向振动幅度。

　　上述两种结构均是经过大量的实验研究,通过分析比较得到的。为了设计制造高性能的微谐振器,生产高精度的微机械装置,必须对结构进行准确的力学分析。由于早期研究微机械的学者大都是电子物理专家,对结构的力学分析比较粗略。目前国内[5]主要引用国外学者的研究成果,国外文献中所建的力学模型均为静定和一次超静定力系[1,2,3],忽略了一些对结构的力学性能有影响的载荷分量,过于简单。

　　本文针对这两种结构,建立了符合实际的力学模型,提出了有关的力学分析方法,推导了应力、位移、弹性常数等力学参量的计算公式,并对两种结构的力学性能进行了比较。

　　另一种结构的弹性系统由四根对称的L型弹性杆组成,形象地称为蟹脚型结构,如图2b所示。这两种结构有较大的横向振动幅度。

　　上述两种结构均是经过大量的实验研究,通过分析比较得到的。为了设计制造高性能的微谐振器,生产高精度的微机械装置,必须对结构进行准确的力学分析。由于早期研究微机械的学者大都是电子物理专家,对结构的力学分析比较粗略。目前国内[5]主要引用国外学者的研究成果,国外文献中所建的力学模型均为静定和一次超静定力系[1,2,3],忽略了一些对结构的力学性能有影响的载荷分量,过于简单。

　　本文针对这两种结构,建立了符合实际的力学模型,提出了有关的力学分析方法,推导了应力、位移、弹性常数等力学参量的计算公式,并对两种结构的力学性能进行了比较。