扁平駐極體微電西安電機(jī)機(jī)的靜電場(chǎng)分析

時(shí)間：2019-12-28 10:00

　微機(jī)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(hào)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(dòng)機(jī)作為首選，它負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(jī)的研制越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

　　目前，對(duì)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(jī)與以往的硅微靜電電機(jī)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(chǔ)存有面電荷，電荷衰減時(shí)間常數(shù)比駐極體形成的周期長(zhǎng)得多。對(duì)于微米量級(jí)的間距，較小的電壓就可產(chǎn)生較大的靜電力。為了對(duì)靜電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要對(duì)微電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的靜電場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。

　　通過(guò)用ANSYS程序?qū)Ρ馄今v極體微電機(jī)的三維實(shí)體模型進(jìn)行靜電場(chǎng)分析，得到了整個(gè)系統(tǒng)的電場(chǎng)能量和轉(zhuǎn)子受到的靜電驅(qū)動(dòng)力。

　　1駐極體微電機(jī)原理所示的是扁平駐極體微電機(jī)，（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(duì)介電常數(shù)￡；。= 2.1；空氣體圓盤(pán)外半徑為175Um；圓盤(pán)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(zhǎng)度所受力為匕（其方向垂直于轉(zhuǎn)子半徑）可見(jiàn)單位長(zhǎng)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(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，利用Pro/E強(qiáng)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(lèi)型單元類(lèi)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(xiàng)，如，單元特性和假設(shè)，單元結(jié)果的打印輸出選項(xiàng)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(wú)關(guān)的本構(gòu)屬性，例如：楊氏膜量、相對(duì)介電常數(shù)等。雖然材料屬性并不與單元類(lèi)型聯(lián)系在一起，但由于計(jì)算單元矩陣時(shí)需要材料屬性，ANSYS為了用戶(hù)使用方便，對(duì)每種單元類(lèi)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(xiàn)性的或者是非線(xiàn)性的。與單元類(lèi)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(gè)材料編號(hào)。易知空氣體的相對(duì)介電常數(shù)為1；轉(zhuǎn)子為駐極體材料，相對(duì)介電常數(shù)為2.1. 2.4網(wǎng)格劃分對(duì)靜電場(chǎng)分析而言，在網(wǎng)格劃分時(shí)沒(méi)有必要對(duì)每一個(gè)導(dǎo)體都進(jìn)行劃分，因?yàn)樗鼈兌际堑葎?shì)體。因此，只需對(duì)電場(chǎng)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(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)候所使用的計(jì)算方法。

　　不完全喬列夫斯基共軛梯度法（ICCG）對(duì)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(kāi)始求解。

　　2.7后處理當(dāng)完成計(jì)算以后，可以通過(guò)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(guò)ANSYS分析，得到了整個(gè)系統(tǒng)的電場(chǎng)能量和轉(zhuǎn)子所受到的靜電驅(qū)動(dòng)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(jiàn)表1.表1Fz理論值與計(jì)算值定子間電壓（V）系統(tǒng)電場(chǎng)能量計(jì)算值（pJ）（下轉(zhuǎn)第85頁(yè)）表1 1和2壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1壓力傳感器2壓力傳感器壓力中心波長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移壓力中心波長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移4結(jié)論研究和實(shí)驗(yàn)表明：這種壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的橫向壓力進(jìn)行測(cè)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(lèi)傳感器具有非常高的壓力靈敏度。同時(shí)，這種新型的光柵壓力傳感器容易封裝，可定量機(jī)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(diǎn)，可以適用于各種需要壓力測(cè)量和對(duì)傳感器尺寸和結(jié)構(gòu)有苛刻要求的應(yīng)用環(huán)境。

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