静电驱动微执行器吸合电压的计算方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术属于MEMS执行器技术领域，公开了一种静电驱动微执行器吸合电压的计算方法、系统及存储介质，基于静电场和弹性薄板理论对微机电系统MEMS中的静电型悬臂梁式执行器的吸合现象进行理论分析；借助有限元软件COMSOL完成吸合电压的计算并与实际测试结果进行对比，验证计算模型的可行性；在悬臂梁面积不变的情况下，利用所述模型分析悬臂梁厚度和极板间隙对吸合电压的影响。本发明专利技术借助有限元软件COMSOL完成吸合电压的计算并与实际测试结果进行了对比，验证了该计算模型的可行性；利用该模型研究悬臂梁厚度和极板间隙对吸合电压的影响，结果表明厚度和间隙对吸合电压的影响呈非线性规律，可以对后续执行器的设计提供理论依据。据。据。

【技术实现步骤摘要】
静电驱动微执行器吸合电压的计算方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术属于MEMS执行器
，尤其涉及一种静电驱动微执行器吸合电压的计算方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]目前，MEMS执行器具有体积小、功耗低、响应快和易于电路集成等特点，可以广泛应用于通讯、宇航、自动化仪器和汽车等领域，能够大大降低系统成本，提高工作效率。吸合电压是静电型MEMS微执行器的主要技术指标之一，低吸合电压不仅可以降低器件对外部驱动电路的要求，拓展其应用场合,而且可以提高其可靠性。在面积一定的情况下，吸合电压受悬臂梁刚度和极板间隙的影响，刚度过低或间隙过小不仅抗冲击性能差，环境温度适应低，而且容易发生微焊接失效，而刚度过高或间隙过大又会带来吸合电压高，结构响应慢和工作寿命短等问题。吸合电压已成为制约许多MEMS器件在诸多领域如航空航天中商品化应用的关键问题，受到广泛关注，因此吸合电压的计算及其受各因素影响的规律是微执行器的重要研究方向之一。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：在面积一定的情况下，吸合电压受悬臂梁刚度和极板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静电驱动微执行器吸合电压的计算方法，其特征在于，所述静电驱动微执行器吸合电压的计算方法包括：基于静电场和弹性薄板理论，对微机电系统中的静电型悬臂梁式执行器的吸合现象进行理论分析；利用有限元软件建立吸合电压的仿真模型并进行吸合电压的计算并与实际测试结果进行对比；在悬臂梁面积不变的情况下利用所述吸合电压的仿真模型分析悬臂梁厚度和极板间隙对吸合电压的影响。2.如权利要求1所述静电驱动微执行器吸合电压的计算方法，其特征在于，所述静电驱动微执行器吸合电压的计算方法包括以下步骤：步骤一，对吸合电压进行理论分析，得电容器存储能量与电容极板距离之间的关系、极板之间的静电吸引力、平衡位置和吸合电压的关系；步骤二，借助有限元软件COMSOL建立吸合电压的仿真模型，并对仿真值和实测值进行对比，误差控制在10%以内，验证仿真模型的可行性；步骤三，利用所述模型分析悬臂梁厚度和极板间隙对吸合电压的影响规律。3.如权利要求2所述静电驱动微执行器吸合电压的计算方法，其特征在于，所述步骤一中的对吸合电压进行理论分析包括：静电型微执行器由可动电极、固定电极和信号电源组成；所述可动电极和固定电极之间形成平行板电容，当极板间未施加电压时，所述可动电极处于初始位置，执行器处于断开状态；当极板间施加电压时，电容极板进行电荷累积，极板间形成电场，所述可动电极在静电力作用下有向下运动的趋势，当静电力达到一定程度时，所述可动电极向下弯曲并与信号源发生接触，信号电源左右导通，执行器处于导通状态；电容器存储的能量为：
ꢀꢀ
(1)式中，电容C为： (2)式中，A为两极板交叠面积，ε是真空介电常数，d是极板间初始间隙；根据式(1)、式(2)，得电容器存储能量与电容极板距离之间的关系为： (3)对式(3)的d求一阶偏导，得到极板之间的静电吸引力Fe为： (4)在静电吸合过程中，电压缓慢变化不考虑极板的震荡，忽略惯性阻尼等因素的影响，可动电极受静电力有向下运动的趋势，则悬臂梁会产生弹性力来与静电力平衡，当极板间隙减小x，此时系统达到平衡，则：
ꢀ
(5)将式(5)整理成关于x的函数： (6)当系统处于平衡时，做功为零，对式(6)两端分别对x求导得： (7)最终的平衡位置和吸合电压为：
ꢀꢀ
(8) (9)由式(9)知，可动极板向下运动至间隙1/3处，为静电力和机械回复力平衡的临界位置，如果静电力仍持续增大，两极板将迅速吸合直到接触到一起。4.如权利要求2所述静电驱动微执行器吸合电压的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘通，阮勇，何长运，宋志强，周祥亮，牟言鹏，黄世峰，
申请(专利权)人：济南大学山东超探电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：