微机械电磁阻尼结构分析

　　1　引言

　　微机械平面转动结构有着重要的应用场合,例如光扫描器[1,2]、微镜光开关[3,4]和微机械角度调谐FP(Fobry-Perot)腔滤波器[5]等。按照转动平台下方是否存在基底,微机械平面转动结构通常分为两种类型,半封闭型和开放型。对于半封闭结构,由于基底与平台的间隙在非常小的情况下产生压膜阻尼效应,所以此类转动结构空气阻尼作用非常大,响应时间可以降低到1 ms以内[6]。对于开放型结构,由于平台的转动空间不受基底的限制,因此转角范围可以比较大;同时,基底的不存在也为开放型结构的应用带来很大的灵活性,使转动平台不再局限于反射式应用,它还可以被用于透射式结构。开放型结构的突出优点使得它成为光扫描器中采用的主要结构类型。然而,在作为角度调节装置的应用中,由于空气阻尼作用非常小,因此转动平台在预调角度的附近来回振荡,却很难快速稳定下来,曾经有文献[7]提到只考虑空气阻尼的情况下,响应时间将达到20 ms以上。本文提出采用电磁阻尼结构在转动平台上制作闭合金属线圈来增加阻尼。文中首先建立微机械电磁阻尼结构模型,然后分析结构参数对阻尼效果的影响,给出设计实例以及减振效果,最后给出合理的工艺制作方法,以说明该结构的可行性。

　　2　微机械电磁阻尼模型

　　典型的微机械平面转动装置如图1所示,转动平台通过两悬臂梁与外围固定支架连接,平台可利用静电力或电磁力的作用发生转动。

　　根据转动平台的受力分析,其运动角度θ(t)满足以下方程[8,9]

　　式中为转动平台的极惯性矩,其中L、W、H分别代表转动平台沿轴长度、垂轴宽度和厚度;ρ为硅材料密度;η是阻尼系数,表征阻尼作用的大小;表示单悬臂梁的抗扭刚度,G=(E为弹性模量,σ为柏松比)代表材料剪切模量;la为转轴长度;J=βH4是与转轴截面相关的几何量(β与wa/H的值有关,参见表1。其中wa表示转轴宽度);Mt是外力对转动平台施加的转矩。

　　如果没有特殊阻尼结构设计,阻尼系数η通常会比较小,一般都满足条件,因此方程(1)的通解形式为

　　上式表明转动平台此时作衰减振荡运动(参见图2),振荡幅值(偏转角度)随时间呈指数衰减,最后稳定到角度θ0,ω为振荡频率,α为衰减因子。

　　显然,减小振荡时间需要增大衰减因子α,也就是要减小转动平台的极惯性矩I或增加阻尼系数η。由于I仅由转动平台的质量、尺寸大小决定,其改变程度因为受到具体应用的限制而非常有限,因此本文提出采用电磁阻尼结构来增加η,从而达到增大α的目的。