MEMS典型机构的传动特性与失效机理分析

在课题组十多年成功研制的多种硅微器件基础上，针对目前MEMS器件中几种典型机构的动力与运动传递构件之间的微-微接触副，从传动机械学的角度，着重探讨在传递力与运动过程中，表面力、微构件刚度、尺度效应、接触副摩擦磨损等因素对微尺度机械传动特性、效率及其失效形式的影响；寻找MEMS工作时传动学基本参数的有效测试技术与分析计算方法；并通过自制的MEMS动性能试验装置，进行相关工况条件、构件结构参数和流片工艺参数对微机构动接触副工作性能、传动特性、传力效率和可靠性影响的对比试验研究，以揭示MEMS动接触副因构件尺度效应、制作材料与工艺、使用工况条件而特有的微传动机械现象的规律与本质。据此，探索延长MEMS传动副工作寿命的技术与手段，进而研究硅微机械的设计方法和相关性能评价准则，以达到提高MEMS器件的工作性能和使用寿命、建立起MEMS典型传动机构的基本分析、设计方法的目的。

随着MEMS技术的不断成熟和发展，具有微机械传动构件的MEMS器件越来越多，为提高此类器件的可靠性，亟待确定影响传动的主要因素和对应的失效机理。项目采用结构设计、理论建模、有限元仿真及试验测试相结合的研究方法，分别对设计的微传动器件展开了研究。.① 结合微齿轮接触副的微观接触特性和基于Maugs-Dugdale接触模型的黏滑特性建立了微齿轮传动的控制方程。分析了微尺度下齿轮接触副的传动特性，得出范德华力和毛细力引起的粘附能以及接触副之间的摩擦力是影响微齿轮传动特性的重要因素，传动过程中，接触面会出现黏滑现象。.② 通过研究微直线马达在不同驱动条件下影响微传动平稳性的主要因素，揭示了微直线马达的运动性能。微直线马达的运动性能受驱动条件、致动器的性能以及自身结构的影响。与齿式驱动相比，摩擦驱动具有速度高、传动平稳的优点。.③ 基于电-热分析和热平衡原理建立了四类电热致动器的电热耦合模型。对热-结构进行分析，运用力法原理建立了致动器的位移计算模型。对致动器的输出位移保持性和重复性以及结构参数和工艺对输出特性的影响做了分析。结果表明结构参数和工艺对输出性能均有影响。建立了V型致动器的振动力学模型，分析得出影响V型致动器振动特性的主要因素。∏型致动器的位移与温度和长度成正比，与梁的厚度和宽度无关。相同温度下，∏型致动器的输出位移小于V型致动器；V型致动器的输出位移小于同参数的复合V型致动器。 .④ 对设计的整体式电热微夹钳做了仿真分析和实验研究，分析了影响微夹钳输出位移、夹持力等性能的主要因素。微夹钳的夹持位移和夹持力与输入电压为非线性正相关，夹持力与夹持距离成反比。.⑤ 针对电热致动器在交流电作用下承受交变温度载荷而发生失效的现象，分析了致动器热疲劳失效的温度效应。建立了致动器的瞬态温度计算模型，分析了驱动电压的频率和幅值对温度的影响。得出温度低于某个阈值，致动器不发生热疲劳失效，300~600℃的温度对致动器的工作最有利。分析得出高温塑性变形是引发热疲劳失效的直接原因，驱动电压的幅值和频率对热疲劳的作用都能统一到温度上。.⑥ 结合理论分析和实验，得出微传动系统可靠性的影响因素，其中致动器、滑动构件的纵向约束、加工工艺引起的多晶硅材料的劣化以及滑动引起的摩擦磨损是影响微传动可靠性的主要因素。.⑦ 对设计的MEMS杆件传动机构进行了力学性能分析。