静电梳齿驱动结构的稳定性分析

　　在各种MEMS 微驱动器中[1-3]，静电梳齿驱动器[4-5]由于结构和原理简单，在微夹钳[6]、光开关[7]等微机电系统中得到广泛的应用。研究表明[8-14]:典型静电梳齿驱动结构可以实现的最大驱动位移主要受侧向不稳定性即侧向吸合的限制，而侧向不稳定性主要受梳齿间隙、梳齿交叠长度、支撑梁的纵/横向刚度比等因素的影响。

　　Moussa 等[11]采用有限元软件ANSYS 对典型静电梳齿驱动结构进行了数值模拟仿真分析，研究了梳齿间隙、梳齿厚度等参数对结构稳定性的影响。Zhou 等[12]对典型静电梳齿驱动结构进行了理论分析，提出采用倾斜支撑梁的方法提高静电梳齿驱动结构的稳定性。Chen 等[13]提出增大边缘梳齿宽度的方法提高静电梳齿驱动结的稳定性。刘恒等[14]提出通过改变静电梳齿结构高度来提高执行器分辨率和稳定性的方法。但是目前在针对典型静电梳齿驱动结构的稳定性研究中，尚未系统研究支撑梁结构参数对结构稳定性的影响。

　　本文以典型静电梳齿驱动结构为研究对象，建立稳定性分析模型，分析结构稳定性随支撑梁结构参数的变化关系。采用有限元仿真软件ANSYS 进行结构性能仿真分析，并进行器件设计、加工和实验验证。为大位移静电梳齿驱动器设计提供参考，以促进该方法在静电梳齿驱动器设计中的推广应用。

　　1 静电梳齿结构的工作原理

　　典型静电梳齿驱动结构由固定梳齿、活动梳齿和弹性支撑梁结构组成，其结构模型如图1 所示。

　　当固定梳齿、活动梳齿间施加驱动电压U 时，梳齿结构中产生电场能E:

　　2 稳定性分析

　　建立如图2 所示的侧向吸合分析模型，随着驱动电压继续增大，活动梳齿与固定梳齿之间将产生吸合现象，发生侧向吸合的最小电压，称为吸合电压。

　　静电驱动力产生的驱动位移:

　　3 实例分析与验证

　　3. 1 结构设计

　　本文分析的静电梳齿驱动结构简图如图3 所示，其中: 图3( a) 为静电梳齿驱动结构简图，图3( b) 为静电梳齿驱动结构的支撑梁结构简图，其结构设计参数如表1 所示。

　　3. 2 仿真分析

　　在图3 所示的静电梳齿驱动结构的典型支撑结构中，设计了梁宽分别为6 μm、7 μm 和8 μm 的支撑梁，并进行了仿真分析。静电梳齿驱动结构的驱动位移随支撑梁结构的梁宽的增大而减小。支撑梁结构的横向刚度Kx随驱动位移的变化不明显，结构的稳定性主要体现在刚度Ky和Ke上。刚度Ke与支撑梁结构的梁宽无关，支撑梁结构的纵向刚度Ky随梁宽的增大而增大，随驱动位移的增加而迅速减小。