扁平駐極體微電機的靜電場分析

2017-04-11 11:44:00 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　微機電系統（MEMS）是集微型結構、微型傳感器、微執行器以及相應的信號處理控制電路，直至接口、通訊和電源于一體的微型器件或系統。在微執行器中，通常將靜電電動機作為首選，它負責將電信號轉換

核心提示：　　微機電系統（MEMS）是集微型結構、微型傳感器、微執行器以及相應的信號處理控制電路，直至接口、通訊和電源于一體的微型器件或系統。在微執行器中，通常將靜電電動機作為首選，它負責將電信號轉換成機械運動

　　微機電系統（MEMS）是集微型結構、微型傳感器、微執行器以及相應的信號處理控制電路，直至接口、通訊和電源于一體的微型器件或系統。在微執行器中，通常將靜電電動機作為首選，它負責將電信號轉換成機械運動，其體積的大小和性能的優劣直接影響到MEMS的整體品質，作為MEMS關鍵部件的靜電電機的研制越來越受到人們的關注。

　　目前，對MEMS器件進行結構分析的研究較多，而在靜電方面所作的分析較少。本文分析的扁平駐極體微電機與以往的硅微靜電電機不同，轉子采用聚四氟乙烯（PTFE）駐極體材料制成。其轉子表面儲存有面電荷，電荷衰減時間常數比駐極體形成的周期長得多。對于微米量級的間距，較小的電壓就可產生較大的靜電力。為了對靜電電動機進行結構優化設計，有必要對微電機定子和轉子間的靜電場進行有限元分析。

　　通過用ANSYS程序對扁平駐極體微電機的三維實體模型進行靜電場分析，得到了整個系統的電場能量和轉子受到的靜電驅動力。

　　1駐極體微電機原理所示的是扁平駐極體微電機，（b）是在Pro/E軸徑為20Um；鋁材定子厚為1Um；駐極體轉子厚h=0.5Pm；其相對介電常數￡；。= 2.1；空氣體圓盤外半徑為175Um；圓盤厚為5Um；定轉子間的氣隙間距di=1.25從m；定子間的氣隙間距心=3Um；鋁材的上、下定子間施加峰值V=500V的方波電壓；駐極體轉子表面的面電荷轉子單位長度所受力為匕（其方向垂直于轉子半徑）可見單位長度力F；是電壓V的二次函數。

　　2三維有限元分析2*1創建基本模型由于電機結構比較復雜，利用Pro/E強大的三維立體建模功能，進行零件的繪制與裝配，最終，形成IGES格式文件。

　　2.2設定單元類型單元類型決定了附件的自由度（位移、轉角、溫度等）。

　　許多單元還設置了一些單元的選項，如，單元特性和假設，單元結果的打印輸出選項等。本文工作屬于微觀領域的靜電分析，故選擇靜電三維單元SOLID122. 2.3定義材料屬性材料屬性是與幾何模型無關的本構屬性，例如：楊氏膜量、相對介電常數等。雖然材料屬性并不與單元類型聯系在一起，但由于計算單元矩陣時需要材料屬性，ANSYS為了用戶使用方便，對每種單元類型列出了相應的材料屬性。

　　根據不同的應用，材料屬性可以是線性的或者是非線性的。與單元類型相似，一種分析中可以定義多種材料，每種材料設定一個材料編號。易知空氣體的相對介電常數為1；轉子為駐極體材料，相對介電常數為2.1. 2.4網格劃分對靜電場分析而言，在網格劃分時沒有必要對每一個導體都進行劃分，因為它們都是等勢體。因此，只需對電場所能觸及到的電介質和空氣體進行網格劃分。另外，轉子是由聚四氟乙烯駐極體材料制成，要在其上下表面加載面電荷密度，故也需要對轉子進行網格劃分。網格圖如。

　　扁平駐極體微轉子網格。5加載將峰值500V的方波電壓加在定子表面的節點上，將面電荷密度為6.4x10-5UC/m2直接加在轉子的上、下表面上，再在面上加上Maxwell受力標志；在空氣體圓柱外表面的節點上加載零電壓，這樣就完成了加載。

　　2.6求解2.6.1選擇求解器在所有的前處理、網格劃分、施加載荷、控制載荷都完成了之后，在程序進入分析求解之前，要給程序指定求解器，也就是指定在程序求解方程的時候所使用的計算方法。

　　不完全喬列夫斯基共軛梯度法（ICCG）對于不良矩陣更加具有穩定性，而且這種方法比直接解法要快。所以，本次選擇ICCG求解器。

　　置開始求解。

　　2.7后處理當完成計算以后，可以通過后處理器查看結果，單擊主菜單中的GeneralPostproc可以直接進入到通用后處理模塊（POST1），導出結果列表。

　　3結果分析通過ANSYS分析，得到了整個系統的電場能量和轉子所受到的靜電驅動力心。改變方波電壓的峰值，將導出的靜電力Fz與理論值比較，見表1.表1Fz理論值與計算值定子間電壓（V）系統電場能量計算值（pJ）（下轉第85頁）表1 1和2壓力傳感器的實驗數據1壓力傳感器2壓力傳感器壓力中心波長波長漂移壓力中心波長波長漂移4結論研究和實驗表明：這種壓力傳感器可實現對光纖的橫向壓力進行測量，因此，在壓力作用方向上的尺寸很小，可以制作成厚度尺寸很小的微型壓力傳感器。而且相比較同類傳感器具有非常高的壓力靈敏度。同時，這種新型的光柵壓力傳感器容易封裝，可定量機械加工，傳感器具有結構精巧、重量輕、尺寸小、準確度高、重復性好等優點，可以適用于各種需要壓力測量和對傳感器尺寸和結構有苛刻要求的應用環境。