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1、第30卷第4期西安工业大学学报Vol.30No.42010年08月JournalofXi.anTechnologicalUniversityAug.2010文章编号:1673-9965(2010)04-310-05*MEMS器件平板运动结构的空气阻尼分析张雄星,王伟,彭首军(西安工业大学光电工程学院,西安710032)摘要:为保证常压封装的MEMS器件有期望的动态特性,需分析微结构的空气阻尼效应.采用ANSYS对运动板间空气阻尼进行了仿真分析.建立了压膜阻尼模型,利用稳态分析和谐波分析分别确定低频和高频工作
2、时的阻尼效应,分析了运动板工作频率、速度、材料适应系数与空气阻尼的关系,并把无孔板和有孔板的阻尼进行了对比分析.结果表明:工作频率和结构参数是影响空气阻尼的重要因素,在板上开孔可控制阻尼系数和刚度系数.关键词:MEMS微结构;平板运动;空气阻尼;压膜阻尼中图号:TM358文献标志码:A微机电系统(MicroOelectroOmechanicalOSys-托克斯流模型.模型的选择由运动部件的振动频率tems,MEMS)如微加速度计、微陀螺和微镜等,受和气体的穿透深度决定.工艺和封装条件等限制,其运动结构一般工
3、作在具有一定气体压强的环境下,另外,随着微结构特征尺寸的缩小,其表面积与体积比逐渐增大,空气阻[1O4]尼效应变得异常显著.MEMS器件由于工作方式不同,空气阻尼对系统性能的影响也不尽相同,图1滑膜阻尼运动简图建立有效的空气阻尼模型,是解决阻尼问题的关Fig.1Movementdiagramofslidefilmdamping键,采用有限元数值仿真技术可快速得到MEMS[5O8]器件的空气阻尼分布.文中采用ANSYS软件的流体薄膜技术求解空气阻尼,分析MEMS平板运动结构在工作频率、结构材料、运动板速率等因
4、素下的空气阻尼变化规律.1流场建模图2压膜阻尼运动简图MEMS器件平板运动结构所受空气阻尼主要Fig.2Movementdiagramofsqueezefilmdamping[1,5]分为滑膜阻尼和压膜阻尼.如图1和图2所示,库埃特流解决低频问题,通过对纳维O斯托克移动板对固定板的切向运动产生滑膜阻尼,移动板斯(NavierOStokes,NOS)方程线性简化,可得空气对固定板的法向运动产生压膜阻尼.滑膜阻尼在梳阻尼系数为状驱动器的设计中较为明显,如微机械陀螺仪;压LAc=(1)膜阻尼主要发生在微加速度计和
5、微镜等MEMS器d件中.式中:A为运动板受阻尼面积;L为气体动态黏滞滑膜阻尼可采用两种模型:库埃特流模型和斯系数.*收稿日期:2009-12-03作者简介:张雄星(1979O),男,西安工业大学助教,主要研究方向为MEMS、引信技术、数字信息处理.EOmail:fjOzxx923@163.com.第4期张雄星等:MEMS器件平板运动结构的空气阻尼分析311斯托克斯流解决高频问题,阻尼系数的推导见Lm和20Lm,考虑在运动板上凿孔,半径设为2文献[1].Lm;板间气体选择常温常压条件下的空气.压膜阻尼受压膜数
6、的影响较大.当运动板法向2.1无孔板压膜阻尼运动于固定板,如图2所示,板间距变小,板间气体ANSYS软件提供FLUID136单元描述无孔被压缩,从板的周边挤压出去,板间被压缩气体与板间隙气体的压膜阻尼效应.该单元为三维单元,被挤压气体的比构成压膜系数为具有流体动态黏滞性、板间隙、运动板适应系数等212LefffLR=2(2)属性参数.单元特征基于雷诺压膜理论和稀薄气体Pad理论,并限制运动板结构的横向尺寸必需远大于板式中:Leff为有效黏滞系数;L为运动平行板的线性间空气的厚度,另外,板间压强的变化要小于环
7、境尺寸;X为运动板的工作频率;Pa为环境压力.压膜压强,并且任何黏性热效应都被忽略,其建模思路阻尼一般表现为两种效应:压膜阻尼效应和压膜刚符合MEMS器件的结构特征和工作状态.通过改度效应.当振动频率较高,压膜系数R很大时,压膜变运动板工作频率和速率以及板表面适应系数等刚度效应显著,此时需要考虑该刚度效应对固有频参数研究无孔板间隙的压膜阻尼,探讨影响压膜阻率计算精度的影响.R很小时,气体大部分被挤压,尼的主要因素,为分析MEMS器件的动态特性参主要表现为压膜阻尼效应.压膜阻尼的解析表达式数依据.见文献[1]
8、.由于压膜阻尼模型的复杂性,使用解析2.1.1工作频率对阻尼的影响式计算阻尼误差较大.临界频率是区分板间气体压膜效应的主要参2空气阻尼仿真分析2[6]数,由式fc=G/2PQd可得,其中G是板间气体滑膜阻尼相对简单,采用解析式可计算出的黏滞系数,Q为气体密度,d为板间气体的特征尺MEMS平板运动结构的阻尼系数.ANSYS提供寸,计算出MEMS运动结构的临界频率为154FLUID139单元模拟滑膜阻尼的运动状态.k
