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1、2014年第33卷第1O期傳感器與微系統(tǒng)(TransducerandMicrosystemTechnologies)17DOI：10．13873／J．1000--9787(2014)10-0017-04一種電熱式MEMS微鏡多自由度模型解析方法章皓，徐大誠，陳巧，謝會開(1．蘇州大學電子信息學院。江蘇蘇州215000；2．無錫微奧科技有限公司。江蘇無錫214000；3．美國佛羅里達大學電氣與計算機工程系。美國佛羅里達州32306)摘要：結(jié)合微鏡驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，通過引入熱導和彈簧剛體模型分析了多驅(qū)動器間熱傳導和相互作用力導致的形變原因，并建
2、立了多自由度微鏡的數(shù)學模型。仿真與實驗數(shù)據(jù)對比說明：建立的模型與實驗結(jié)果具有較好的一致性，能夠預測4個驅(qū)動器的輸入響應特性。關(guān)鍵詞：MEMS微鏡；數(shù)學建模；驅(qū)動器中圖分類號：文獻標識碼：A文章編號：1000--9787(2014)10-0017-04Amodelanalyticalmethodofmulti．DOFelectrothermalMEMSmicro．mirrorZHANGHao，XUDa．cheng，CHENQiao。，XIEHui．kai。(1．CollegeofElectronicsandInformationScie
3、nce，SoochowUniversity，Suzhou215000，China；2．WuxiWiOTechnologyCoLtd，Wuxi214000，China；3．DepartmentofElectricalandComputerEngineering，UniversityofFIorida32306，Gainesville，F(xiàn)Jorjda，USA)Abstract：Thedeformationreasonofactuatorcausedbyheatconductionandinteractionforceisanalyzedb
4、yintroducingthermalconductionandspringrindmodelcombinedwithstructureofmicro—mirroractuator，andmulti-DOFmathematicalmodelformicro．milTOTiSestablished．Compadsonofsimulation．a(chǎn)ndexperimentaldatashowthattheconstructedmodelagreeswellwithexperimentalresults，itcanpredictinputre
5、sponsescharacteristicsoffoUtactuators．Keywords：MEMSmicro—mirror；mathematicalmodeling；actuator0引言器分解為有限數(shù)量的電熱耦合網(wǎng)絡元素，每個元素包含溫MEMS微鏡是一種利用微驅(qū)動器控制鏡面位移或轉(zhuǎn)度電壓節(jié)點、等效熱功率源和熱電阻器；再采用仿真軟動，從而實現(xiàn)調(diào)整入射光空間分布的調(diào)制器，主要應用在光件SPICE處理分析模型數(shù)據(jù)。此方法精度高，但建模時間通信、顯示和投影成像等技術(shù)領域]。其中，微驅(qū)動器的長且無法對器件進行系統(tǒng)級仿真。文獻[6，7]針對
6、單個驅(qū)研制是關(guān)鍵，相比通常的電磁式、靜電式和壓電式驅(qū)動，電動器建立電熱模型，但是多自由度MEMS微鏡存在多驅(qū)動熱式Bimorph驅(qū)動器利用材料應力差異能夠大幅提升位移結(jié)構(gòu)，沒有考慮驅(qū)動器之間存在的耦合影響。并且降低功耗J，因而，電熱結(jié)構(gòu)普遍應用于微鏡設計本文基于電熱式Bimorph驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，結(jié)合熱阻模型對多驅(qū)動器間的熱傳導加以分析，給出熱應力形變的具體中。對于此類器件，其運動是驅(qū)動器電一熱一機械三者能量之間轉(zhuǎn)換過程J，建立相應模型對研究微鏡的靜瞬態(tài)特性表示，再通過彈簧剛體模型求解驅(qū)動器間相互作用力引起有重要意義。的形變關(guān)系，進而利用
7、線性疊加原理建立了一種熱電式雙電熱驅(qū)動器利用熱形變原理，針對不同的加熱方式，如s形Bimorph二維微鏡模型。同時將模型仿真與實驗數(shù)據(jù)微橋加熱和自由端加熱，通常采用電熱模型。其中，等比較，對比結(jié)果驗證了此方法的合理性。效電路集總元件模型用于電阻加熱元件結(jié)構(gòu)，對加熱器溫1雙S形Bimorph微鏡結(jié)構(gòu)度分布不均勻和非零溫度系數(shù)電阻率引起的電氣輸入與電電熱式二維微鏡的結(jié)構(gòu)如圖I所示，主要包括：Al鏡熱輸出之間復雜關(guān)系的問題，采用有限元分析法。將加熱面、si襯底和4個驅(qū)動器。驅(qū)動器連接襯底與鏡面，起支撐收稿日期：2O14_o3-0420傳感器
8、與微系統(tǒng)第33卷100當驅(qū)動器受力而無相鄰驅(qū)動器影響時，使鏡面偏轉(zhuǎn)0，80-驅(qū)動器受到的壓力為．三j多＼●●●●●●●6／0F1=kAz．(21)簦40—髟蘭俺20。了囂擻比較式(2o)、式(21)發(fā)現(xiàn)F=1．5F，即鏡
