《基於屈曲的低壓高速大變形微驅動器關鍵技術研究》是依託西安電子科技大學，由田文超擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於屈曲的低壓高速大變形微驅動器關鍵技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：田文超
- 依託單位：西安電子科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
利用微機電（MEMS）技術加工的靜電驅動屈曲型微驅動器，基於縱橫彎曲理論，通過結構設計和調節電極使微梁預先獲得軸向擠壓屈曲勢能，再橫向低壓驅動，利用微梁屈曲組合變形時的能量釋放和剛度變化而表現出的突跳特性，使存儲的軸向勢能快速釋放，將彈性力轉變為驅動力，以實現微驅動器大位移、低電壓、快速回響驅動目的。該驅動器在RF開關、光開關、可程式光柵、指向可變相控陣天線、飛彈魚雷引信控制、太空飛行器整流罩脫落觸發、筆記本電腦防撞擊保護及物聯網智慧型塵埃等領域具有套用價值。.本項目理論結合試驗，根據非線性大撓度理論、能量變分原理、微觀連續介質論、庫侖定律和氣體分子運動論，分析微驅動器非線性屈曲組合變形、接觸粘附、極板邊緣效應、氣膜阻尼等問題；通過求解拉格朗日-麥克斯韋機電組合動力方程，精確控制微梁屈曲變形，以獲取大變形、低壓、高速回響（驅動電壓≤3V，回響時間≤7μs，驅動位移≥10μm）驅動機理。
結題摘要
針對目前MEMS驅動器件存在變形小、快速慢、可靠性低的問題，本項目通過四年的研究工作，基於縱橫彎曲理論，提出一種大變形、快速回響的新型MEMS微驅動器。該驅動器通過結構設計和調節電極，使微梁預先獲得軸向擠壓屈曲勢能；再橫向低壓驅動，利用微梁縱橫載入組合變形時的能量釋放和剛度變化而表現出的“突跳”特性，使存儲的軸向勢能快速釋放，將彈性力轉變為驅動力。按照項目預期任務要求，完成了項目預定的微尺度力（靜電力邊緣效應、Casimir力、范德瓦爾斯力、氣膜阻尼力）、軸向載荷（裝配應力和溫度應力）、縱橫彎曲微驅動器的拉格朗日-麥克斯韋動力方程建立與求解、樣件加工、測試等的研究內容；經過仿真輔助實驗測試，獲得大變形（變形＞10.861μm）、快速回響（回響時間＜5.454μs）。變形量遠大於傳統橫向單向載入驅動器的變形量，同時回響時間較短。在此基礎上，還研究了軸向調節電壓、溫度應力和裝配應力對微驅動器的變形和回響的影響。研究發現，通過縱橫載入，可以有效增加驅動器的驅動位移，減小驅動器的驅動時間。該驅動器在RF開關、光開關、可程式光柵、指向可變相控陣天線、飛彈魚雷引信控制、太空飛行器整流罩脫落觸發、筆記本電腦防撞擊保護及物聯網智慧型塵埃等領域具有套用價值。 在研究期間發現“抖動”現象，此現象嚴重影響微驅動器可靠性。因此，在完成預期研究內容基礎上，增加納米接觸研究內容。利用分子動力學，揭示了微驅動器極板之間“抖動”納米接觸現象，發現原子遷移是導致微驅動器“抖動”現象、影響微驅動器可靠性的直接因素。此外，在縱橫彎曲基礎上，提出了一種多級調節諧振器，實現多頻段工作。諧振頻率由17.7MHz到24.7MHz之間可調，調諧範圍高達395480ppm，遠高於目前傳統單向載入調頻諧振器調節範圍。 研究期間，發表論文28篇，其中SCI論文11篇（含2篇錄用論文、6篇會議論文）；EI論文23篇（含6篇Inspec資料庫檢索收錄）；出版專著2部（分別獲得國家“十三五”優秀科技圖書和“十三五”國家規劃教材）；國家發明專利13項（發明專利授權5項，軟體著作權授權1項，發明專利公開7項）；培養高層次人才11名（畢業碩士生7名，畢業博士生1名，在站博士後1名，待畢業博士生2名）；參與國際國家有關MEMS標準制定7項。
