扁平駐極體微電機的靜電場分析

微機電系統(tǒng)（MEMS）是集微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微執(zhí)行器以及相應(yīng)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(tǒng)。在微執(zhí)行器中，通常將靜電電動機作為首選，它負(fù)責(zé)將電信號轉(zhuǎn)換成機械運動，其體積的大小和性能的優(yōu)劣直接影響到MEMS的整體品質(zhì)，作為MEMS關(guān)鍵部件的靜電電機的研制越來越受到人們的關(guān)注。

　　目前，對MEMS器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子采用聚四氟乙烯（PTFE）駐極體材料制成。其轉(zhuǎn)子表面儲存有面電荷，電荷衰減時間常數(shù)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(chǎn)生較大的靜電力。為了對靜電電動機進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有必要對微電機定子和轉(zhuǎn)子間的靜電場進(jìn)行有限元分析。

　　通過用ANSYS程序?qū)Ρ馄今v極體微電機的三維實體模型進(jìn)行靜電場分析，得到了整個系統(tǒng)的電場能量和轉(zhuǎn)子受到的靜電驅(qū)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(zhuǎn)子厚h=0.5Pm；其相對介電常數(shù)￡；。= 2.1；空氣體圓盤外半徑為175Um；圓盤厚為5Um；定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子表面的面電荷轉(zhuǎn)子單位長度所受力為匕（其方向垂直于轉(zhuǎn)子半徑）可見單位長度力F；是電壓V的二次函數(shù)。

　　2三維有限元分析2*1創(chuàng)建基本模型由于電機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，利用Pro/E強大的三維立體建模功能，進(jìn)行零件的繪制與裝配，最終，形成IGES格式文件。

　　2.2設(shè)定單元類型單元類型決定了附件的自由度（位移、轉(zhuǎn)角、溫度等）。

　　許多單元還設(shè)置了一些單元的選項，如，單元特性和假設(shè)，單元結(jié)果的打印輸出選項等。本文工作屬于微觀領(lǐng)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(guān)的本構(gòu)屬性，例如：楊氏膜量、相對介電常數(shù)等。雖然材料屬性并不與單元類型聯(lián)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(yīng)的材料屬性。

　　根據(jù)不同的應(yīng)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(shè)定一個材料編號。易知空氣體的相對介電常數(shù)為1；轉(zhuǎn)子為駐極體材料，相對介電常數(shù)為2.1. 2.4網(wǎng)格劃分對靜電場分析而言，在網(wǎng)格劃分時沒有必要對每一個導(dǎo)體都進(jìn)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(zhì)和空氣體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格圖如。

　　扁平駐極體微轉(zhuǎn)子網(wǎng)格。5加載將峰值500V的方波電壓加在定子表面的節(jié)點上，將面電荷密度為6.4x10-5UC/m2直接加在轉(zhuǎn)子的上、下表面上，再在面上加上Maxwell受力標(biāo)志；在空氣體圓柱外表面的節(jié)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(wǎng)格劃分、施加載荷、控制載荷都完成了之后，在程序進(jìn)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(wěn)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(dāng)完成計算以后，可以通過后處理器查看結(jié)果，單擊主菜單中的GeneralPostproc可以直接進(jìn)入到通用后處理模塊（POST1），導(dǎo)出結(jié)果列表。

　　3結(jié)果分析通過ANSYS分析，得到了整個系統(tǒng)的電場能量和轉(zhuǎn)子所受到的靜電驅(qū)動力心。改變方波電壓的峰值，將導(dǎo)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(tǒng)電場能量計算值（pJ）（下轉(zhuǎn)第85頁）表1 1和2壓力傳感器的實驗數(shù)據(jù)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(jié)論研究和實驗表明：這種壓力傳感器可實現(xiàn)對光纖的橫向壓力進(jìn)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(jié)構(gòu)精巧、重量輕、尺寸小、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，可以適用于各種需要壓力測量和對傳感器尺寸和結(jié)構(gòu)有苛刻要求的應(yīng)用環(huán)境。