硅基大位移低驱动电压静电微驱动器变形分析

　　微驱动器作为MEMS(微电子机械系统)的重要组成部分，应用于航空航天、惯性制导、汽车电子、导弹引信、移动通讯等领域，越来越受到国内外广大科技人员的重视[1]。由于静电驱动方式结构简单，响应时间短，因此在MEMS驱动器中被广泛应用。以下是目前国内外有关静电微驱动器的典型研究成果：清华大学[2]侯智昊等研制的驱动器驱动电压60V，位移为1.8μm;东南大学董乔华等研制的驱动器驱动电压34V，位移量为 2 μm[3];美国加州大学Mahameed 等研制的驱动器驱动电压43V，位移量为9 μm[4];德国IMTEK(微系统)所的Gaspar 等研制的驱动器驱动电压 40V，位移量为 10μm[5];英国Southampton大学的Srinivasan等研制的驱动器驱动电压 90V，位移量为 6 μm[6]。

　　微驱动器的研究目标是结构简单、大位移、低驱动电压和快速响应。目前所研制的静电微驱动器是基于横向加载的单向变形原理[7]，该驱动器存在如下问题：要增大变形位移量，需增大驱动电压，而大驱动电压易导致烧蚀。由文献[2-6]可以看出，驱动电压均高达几十伏特，而驱动位移仅为几微米。因此，人们转而研制形状记忆合金[8]和电磁微驱动器[9]微驱动器。由于形状记忆效应存在热电转变过程，导致驱动器响应时间过长。电磁微驱动器结构复杂，体积大，不易集成，可靠性低。所以综合满足大位移、低电压、快速响应和结构简单的微驱动器成为目前微驱动器的设计难点。

　　本文基于纵横弯曲原理，提出一种低电压大位移静电微驱动器。该驱动器改变弹性力为恢复力的传统观念，利用微梁在屈曲变形中的弹性能量释放和刚度变化而表现出的突跳特性，将弹性力转变为驱动力，实现微驱动器大位移、低电压、快速响应驱动目的。

　　1 微驱动器模型

　　图 1 为硅基微驱动器示意图。驱动器由微梁、外构架、导向槽、调节电极、驱动电极组成。微梁长、宽、高分别为15mm、1mm和0.3mm。微驱动器工作原理为：1)合理设计微梁长度l和构架内壁间距L，使l>L，△ l =l-L=0.02mm;2)微梁和构架组装在一起。微梁在装入构架内已承受轴向预压力Fj，存储有弹性势能;3)施加调节电压，由调节电极产生电场力Ft;4)调整调节电压，使微梁所受的轴向力F1(预压力Fj和调节电极产生的电场力Ft之和)达到欧拉临界载荷;5)微梁在欧拉临界载荷作用下，虽无横向变形，但已经处于“微弯平衡”状态;6)驱动电极施加微驱动电压，由驱动电压产生的单向电场力突破“微弯平衡”状态，微梁越过微弯平衡点而发生单向突跳 7)存储于微梁内部的弹性势能转变为动能而快速释放出来，驱动微梁实现大变形运动。