CN109911841A - 一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器 - Google Patents

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方玉明
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Abstract

本发明公开了一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，包括基底和设置在基底上方的平板电容，所述平板电容包括固定电极板和活动电极板，所述固定电极板位于基底上方，所述活动电极板通过支撑组件与基底相连接，通过静电力在固定电极板上方进行垂直上下运动，所述活动电极板为正方形，通过正方形活动电极板的特殊结构及特殊位置安排，使得平板电容微执行器具有最大的挤压膜阻尼，当器件启动时，瞬态超调量较小，收敛较快；当停止时，振幅衰减也较快，延长微执行器的使用寿命，更加的高效科学。

Description

一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域,具体涉及一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器。
背景技术
带有活动极板的平板电容是许多微执行器件的核心部分，这类器件在静电力作用下发生运动，一般采用Si材料制造，因为体积小，结构简单，越来越被各个行业所广泛采用。
根据S.D.Senturia,Microsystem design,Kluwer academic publishers,2001P134可知，静电驱动力与极板间距g0的平方成反比。为了能用小的驱动电压产生较大的驱动力，活动极板和固定极板必须比较靠近，即：g0远远小于活动极板的边长。此时，当活动极板向下运动时，间隙中的气体被压缩、被挤出；当活动极板向上运动时，间隙中的气体被扩张，间隙周围的气体则被吸进间隙，这个效应使得间隙内外产生了压力差，这个压力差有阻尼效应，这个阻尼效应就是挤压膜阻尼。
现阶段，因为平板电容微执行器力的大小可以通过电压来控制，因而大家都更多的关注于力与电压和板间距的非线性关系，希望利用公式推导最终通过调节电压大小和板间距来控制此类微执行器的输出力大小，却忽略了平板电容微执行器的挤压膜阻尼问题。当发生挤压膜阻尼时，若挤压膜阻尼过小，容易导致器件启动时，活动电极板瞬态超调量很大，收敛较慢；而器件停止时，振幅衰减又较慢。超调量较大的活动电极板容易与周围其它部分相碰撞，为了克服避免碰撞，活动电极板与周围的间隙必须较大，但这又会使得器件总体尺寸也较大，因而如何提高挤压膜阻尼，有效控制瞬态超调量和振幅衰减，是本领域技术人员急需解决的问题之一。
发明内容
本发明正是针对现有问题，提供了一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，包括基底和设置在基底上方的平板电容，所述平板电容包括固定电极板和活动电极板，所述固定电极板位于基底上方；所述活动电极板通过支撑组件与基底相连接，通过静电力在固定电极板上方进行垂直上下运动，所述活动电极板为正方形，通过正方形活动电极板的特殊结构及特殊位置安排，使得平板电容微执行器具有最大的挤压膜阻尼，当器件启动时，瞬态超调量较小，收敛较快；当停止时，振幅衰减也较快，延长微执行器的使用寿命，更加的高效科学。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，包括基底和设置在基底上方的平板电容，所述平板电容包括固定电极板和活动电极板，
所述固定电极板位于基底上方；
所述活动电极板通过支撑组件与基底相连接，通过静电力在固定电极板上方进行垂直上下运动，所述活动电极板为正方形。
作为本发明的另一种改进，所述支撑组件包括支撑梁和固定支撑，所述固定支撑分别固定于基底两侧，所述支撑梁包括两组，每一组中的支撑梁一端与固定支撑相连接，另一端与活动电极板相连接，两组支撑梁将活动电极板平行架空于固定电极板上方。
作为本发明的另一种改进，所述每组支撑梁与活动电极板的连接处为活动电极板边长的中点，所述两组支撑梁以活动电极板的中轴线呈对称分布。
作为本发明的又一种改进，所述每组支撑梁与活动电极板的连接处为活动电极板的顶点，两个连接顶点呈活动电极板的对角，所述两组支撑梁以活动电极板另一对角的连接线为轴线呈对称分布。
作为本发明的更进一步改进，所述每一组支撑梁的数量至少为1个，所述支撑梁以与活动电极板的连接处为原点，等距离的上下扩散连接。
与现有技术相比，以前的活动电极板在设计时没有考虑挤压膜阻尼的影响，一般都设计成矩形，但矩形结构的挤压膜阻尼较小，导致了器件启动时，活动电极板瞬态超调量较大，收敛较慢；而器件停止时，振幅衰减较慢；超调量较大的活动电极板容易与周围其它部分碰撞，为了避免碰撞，活动电极板与周围的间隙必须较大，这又使得器件总体尺寸也较大。而本发明中，平板电容的活动电极板为正方形，这种结构具有最大挤压膜阻尼，使得器件启动时，瞬态超调量较小，收敛较快；停止时，振幅衰减也较快，同时器件总体尺寸也可以更小，使用无负担，也延长了器件的使用寿命，更加的高效环保。
附图说明
图1a为本发明实施例1挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器的结构侧视图；
图1b为本发明实施例1挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器的结构俯视图；
图2为本发明实施例1挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器的结构立体图；
图3为本发明实施例1正方形和矩形活动电极板的响应曲线图；
图4为本发明实施例2平板电容微执行器的结构示意图；
图中：1、活动电极板；2、支撑梁；3、支撑梁；4、固定电极板；5、基底；6、固定支撑、7、固定支撑。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
实施例1
按挤压膜阻尼的理论(Darling RB,Hivick C,Xu J(1998)Compact analyticalmodeling of squeeze film damping with arbitrary venting conditions using aGreen’s function approach.Sens Actuators A 70:32-41；Bao M,Yang H(2007)Squeezefilm air damping in MEMS.Sens Actuators A 136:3-27)，忽略气体压缩效应时，矩形平板挤压膜阻尼系数为
式中，μ是气体粘度系数，ly和lz是矩形极板的长和宽，y和z分别是长度、宽度方向，由此可以看出挤压膜阻尼与极板间距g0的三次方成反比。
为了增大挤压膜阻尼，直接减小g0。但是，作为微执行器，必须具有较大的行程才有应用价值，即g0不能太小。所以，如何在g0不变的情况下，增大挤压膜阻尼，才是非常有意义的。
从式(1)可看出，该级数第一项是绝对大的，如果只取第一项，则该式为
式中，矩形极板的面积为lylz，因为静电驱动力与极板面积成正比，改变面积还直接影响驱动力的大下，所以，将在不改变矩形极板面积的情况下，讨论ly、lz与阻尼系数cdamping的关系。
由于所以，只有在ly＝lz时，阻尼系数有最大值也即：活动极板为正方形的器件是的阻尼系数是挤压膜阻尼最大的器件，因而：
一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，包括基底5和设置在基底上方的平板电容，如图1a所示，平板电容包括固定电极板4和活动电极板1，所述固定电极板4位于基底5上方，活动电极板1通过支撑组件与基底5相连接，支撑组件包括支撑梁(2,3)和固定支撑(6,7)，所述固定支撑(6,7)分别固定于基底5两侧，支撑梁(2,3)包括两组，每一组中的支撑梁2一端与固定支撑7相连接，另一端与活动电极板1相连接，两组支撑梁(2,3)将活动电极板1平行架空于固定电极板4上方，通过静电力在固定电极板4上方进行垂直上下运动，所述活动电极板1为正方形。
本实施例中每组支撑梁与活动电极板1的连接处为活动电极板1边长的中点，如图1b所示，图1b为本实施例挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器的结构俯视图，每一组支撑梁(2,3)数量为三根，支撑梁(2,3)以与活动电极板1的连接处为原点，等距离的上下扩散连接，两组支撑梁(2,3)以活动电极板1的中轴线呈对称分布。
微执行器在阶跃输入电压驱动下，活动极板垂直于基底(5)产生变形，这种变形包含瞬态变形和稳态变形，其中，瞬态变形是没有用的，瞬态变形将在阻尼力的作用下逐渐减小，最后衰减为零；当阶跃输入停止时，活动极板将退回到原来的位置，此时，相当于稳态变形为零，但瞬态变形依然存在；当器件阻尼过小时，则瞬态幅度较大。为了避免活动极板与周围其它部分碰撞，活动极板与周围的间隙必须较大，使得器件总体尺寸也只较大。
运用如图2所示的平板电容微执行器，活动极板为正方形结构，此时，器件比原设计具有更大的挤压膜阻尼，具体效果如下：。
对于一多晶硅正方形活动极板，其长×宽×厚＝500微米×500微米×10微米，两个弹性支撑梁长×宽×厚＝400微米×10微米×10微米，极板间距为g0＝15微米。设阶跃输入电压为10V，则图3是正方形活动极板响应曲线(实线)；作为比较，图3也给出了长方形活动极板的响应曲线(虚线)，该长方形活动极板，其长×宽×厚＝1000微米×250微米×10微米。由两个活动极板的长宽厚度可知，正方形板与长方形板面积相同，即，具有相同的静电驱动力。显然，长方形极板阻尼较小，收敛速度明显低于正方形板，瞬态振幅明显比正方形板大不少。此时，长方形极板的阻尼约为正方形极板的1/2，平板电容的活动电极板采用正方形是，挤压膜阻尼更大。
实施例2
本例与实施例1的不同之处在于，所述每组支撑梁(2,3)与活动电极板1的连接处为活动电极板的顶点，两个连接顶点呈活动电极板的对角，所述两组支撑梁(2,3)以活动电极板1另一对角的连接线为轴线呈对称分布，如图4所示，图4为本实施例挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器的结构俯视图，即活动电极板1呈菱形，此时挤压膜阻尼依旧很大，使得器件启动时，瞬态超调量较小，收敛较快；停止时，振幅衰减也较快，同时器件总体尺寸也可以更小，使用无负担。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，包括基底和设置在基底上方的平板电容，其特征在于：所述平板电容包括固定电极板和活动电极板，
所述固定电极板位于基底上方；
所述活动电极板通过支撑组件与基底相连接，通过静电力在固定电极板上方进行垂直上下运动，所述活动电极板为正方形。
2.根据权利要求1所述的一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，其特征在于：所述支撑组件包括支撑梁和固定支撑，所述固定支撑分别固定于基底两侧，所述支撑梁包括两组，每一组中的支撑梁一端与固定支撑相连接，另一端与活动电极板相连接，两组支撑梁将活动电极板平行架空于固定电极板上方。
3.根据权利要求2所述的一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，其特征在于：所述每组支撑梁与活动电极板的连接处为活动电极板边长的中点，所述两组支撑梁以活动电极板的中轴线呈对称分布。
4.根据权利要求2所述的一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，其特征在于：所述每组支撑梁与活动电极板的连接处为活动电极板的顶点，两个连接顶点呈活动电极板的对角，所述两组支撑梁以活动电极板另一对角的连接线为轴线呈对称分布。
5.根据权利要求3或4所述的一种挤压膜阻尼最大的平板电容微执行器，其特征在于：所述每一组支撑梁的数量至少为1个，所述支撑梁以与活动电极板的连接处为原点，等距离的上下扩散连接。
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