一种电热式MEMS微镜多自由度模型解析方法.pdf

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1、2014年第33卷第1O期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)17DOI：10．13873／J．1000--9787(2014)10-0017-04一种电热式MEMS微镜多自由度模型解析方法章皓，徐大诚，陈巧，谢会开(1．苏州大学电子信息学院。江苏苏州215000；2．无锡微奥科技有限公司。江苏无锡214000；3．美国佛罗里达大学电气与计算机工程系。美国佛罗里达州32306)摘要：结合微镜驱动器结构，通过引入热导和弹簧刚体模型分析了多驱动器间热传导和相互作用力导致的形变原因，并建

2、立了多自由度微镜的数学模型。仿真与实验数据对比说明：建立的模型与实验结果具有较好的一致性，能够预测4个驱动器的输入响应特性。关键词：MEMS微镜；数学建模；驱动器中图分类号：文献标识码：A文章编号：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，FJorjda，USA)Abstract：Thedeformationreasonofactuatorcausedbyheatconductionandinteractionforceisanalyzedb

4、yintroducingthermalconductionandspringrindmodelcombinedwithstructureofmicro—mirroractuator，andmulti-DOFmathematicalmodelformicro．milTOTiSestablished．Compadsonofsimulation．andexperimentaldatashowthattheconstructedmodelagreeswellwithexperimentalresults，itcanpredictinputre

5、sponsescharacteristicsoffoUtactuators．Keywords：MEMSmicro—mirror；mathematicalmodeling；actuator0引言器分解为有限数量的电热耦合网络元素，每个元素包含温MEMS微镜是一种利用微驱动器控制镜面位移或转度电压节点、等效热功率源和热电阻器；再采用仿真软动，从而实现调整入射光空间分布的调制器，主要应用在光件SPICE处理分析模型数据。此方法精度高，但建模时间通信、显示和投影成像等技术领域]。其中，微驱动器的长且无法对器件进行系统级仿真。文献[6，7]针对

6、单个驱研制是关键，相比通常的电磁式、静电式和压电式驱动，电动器建立电热模型，但是多自由度MEMS微镜存在多驱动热式Bimorph驱动器利用材料应力差异能够大幅提升位移结构，没有考虑驱动器之间存在的耦合影响。并且降低功耗J，因而，电热结构普遍应用于微镜设计本文基于电热式Bimorph驱动器结构，结合热阻模型对多驱动器间的热传导加以分析，给出热应力形变的具体中。对于此类器件，其运动是驱动器电一热一机械三者能量之间转换过程J，建立相应模型对研究微镜的静瞬态特性表示，再通过弹簧刚体模型求解驱动器间相互作用力引起有重要意义。的形变关系，进而利用

7、线性叠加原理建立了一种热电式双电热驱动器利用热形变原理，针对不同的加热方式，如s形Bimorph二维微镜模型。同时将模型仿真与实验数据微桥加热和自由端加热，通常采用电热模型。其中，等比较，对比结果验证了此方法的合理性。效电路集总元件模型用于电阻加热元件结构，对加热器温1双S形Bimorph微镜结构度分布不均匀和非零温度系数电阻率引起的电气输入与电电热式二维微镜的结构如图I所示，主要包括：Al镜热输出之间复杂关系的问题，采用有限元分析法。将加热面、si衬底和4个驱动器。驱动器连接衬底与镜面，起支撑收稿日期：2O14_o3-0420传感器

8、与微系统第33卷100当驱动器受力而无相邻驱动器影响时，使镜面偏转0，80-驱动器受到的压力为．三j多＼●●●●●●●6／0F1=kAz．(21)簦40—髟兰俺20。了嚣擞比较式(2o)、式(21)发现F=1．5F，即镜