扁平驻极体微电机的静电场分析

2017-04-11 11:44:00 大云网　点击量：评论 (0)

核心提示：　　微机电系统（MEMS）是集微型结构、微型传感器、微执行器以及相应的信号处理控制电路，直至接口、通讯和电源于一体的微型器件或系统。在微执行器中，通常将静电电动机作为首选，它负责将电信号转换

核心提示：　　微机电系统（MEMS）是集微型结构、微型传感器、微执行器以及相应的信号处理控制电路，直至接口、通讯和电源于一体的微型器件或系统。在微执行器中，通常将静电电动机作为首选，它负责将电信号转换成机械运动

　　微机电系统（MEMS）是集微型结构、微型传感器、微执行器以及相应的信号处理控制电路，直至接口、通讯和电源于一体的微型器件或系统。在微执行器中，通常将静电电动机作为首选，它负责将电信号转换成机械运动，其体积的大小和性能的优劣直接影响到MEMS的整体品质，作为MEMS关键部件的静电电机的研制越来越受到人们的关注。

　　目前，对MEMS器件进行结构分析的研究较多，而在静电方面所作的分析较少。本文分析的扁平驻极体微电机与以往的硅微静电电机不同，转子采用聚四氟乙烯（PTFE）驻极体材料制成。其转子表面储存有面电荷，电荷衰减时间常数比驻极体形成的周期长得多。对于微米量级的间距，较小的电压就可产生较大的静电力。为了对静电电动机进行结构优化设计，有必要对微电机定子和转子间的静电场进行有限元分析。

　　通过用ANSYS程序对扁平驻极体微电机的三维实体模型进行静电场分析，得到了整个系统的电场能量和转子受到的静电驱动力。

　　1驻极体微电机原理所示的是扁平驻极体微电机，（b）是在Pro/E轴径为20Um；铝材定子厚为1Um；驻极体转子厚h=0.5Pm；其相对介电常数￡；。= 2.1；空气体圆盘外半径为175Um；圆盘厚为5Um；定转子间的气隙间距di=1.25从m；定子间的气隙间距心=3Um；铝材的上、下定子间施加峰值V=500V的方波电压；驻极体转子表面的面电荷转子单位长度所受力为匕（其方向垂直于转子半径）可见单位长度力F；是电压V的二次函数。

　　2三维有限元分析2*1创建基本模型由于电机结构比较复杂，利用Pro/E强大的三维立体建模功能，进行零件的绘制与装配，最终，形成IGES格式文件。

　　2.2设定单元类型单元类型决定了附件的自由度（位移、转角、温度等）。

　　许多单元还设置了一些单元的选项，如，单元特性和假设，单元结果的打印输出选项等。本文工作属于微观领域的静电分析，故选择静电三维单元SOLID122. 2.3定义材料属性材料属性是与几何模型无关的本构属性，例如：杨氏膜量、相对介电常数等。虽然材料属性并不与单元类型联系在一起，但由于计算单元矩阵时需要材料属性，ANSYS为了用户使用方便，对每种单元类型列出了相应的材料属性。

　　根据不同的应用，材料属性可以是线性的或者是非线性的。与单元类型相似，一种分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号。易知空气体的相对介电常数为1；转子为驻极体材料，相对介电常数为2.1. 2.4网格划分对静电场分析而言，在网格划分时没有必要对每一个导体都进行划分，因为它们都是等势体。因此，只需对电场所能触及到的电介质和空气体进行网格划分。另外，转子是由聚四氟乙烯驻极体材料制成，要在其上下表面加载面电荷密度，故也需要对转子进行网格划分。网格图如。

　　扁平驻极体微转子网格。5加载将峰值500V的方波电压加在定子表面的节点上，将面电荷密度为6.4x10-5UC/m2直接加在转子的上、下表面上，再在面上加上Maxwell受力标志；在空气体圆柱外表面的节点上加载零电压，这样就完成了加载。

　　2.6求解2.6.1选择求解器在所有的前处理、网格划分、施加载荷、控制载荷都完成了之后，在程序进入分析求解之前，要给程序指定求解器，也就是指定在程序求解方程的时候所使用的计算方法。

　　不完全乔列夫斯基共轭梯度法（ICCG）对于不良矩阵更加具有稳定性，而且这种方法比直接解法要快。所以，本次选择ICCG求解器。

　　置开始求解。

　　2.7后处理当完成计算以后，可以通过后处理器查看结果，单击主菜单中的GeneralPostproc可以直接进入到通用后处理模块（POST1），导出结果列表。

　　3结果分析通过ANSYS分析，得到了整个系统的电场能量和转子所受到的静电驱动力心。改变方波电压的峰值，将导出的静电力Fz与理论值比较，见表1.表1Fz理论值与计算值定子间电压（V）系统电场能量计算值（pJ）（下转第85页）表1 1和2压力传感器的实验数据1压力传感器2压力传感器压力中心波长波长漂移压力中心波长波长漂移4结论研究和实验表明：这种压力传感器可实现对光纤的横向压力进行测量，因此，在压力作用方向上的尺寸很小，可以制作成厚度尺寸很小的微型压力传感器。而且相比较同类传感器具有非常高的压力灵敏度。同时，这种新型的光栅压力传感器容易封装，可定量机械加工，传感器具有结构精巧、重量轻、尺寸小、准确度高、重复性好等优点，可以适用于各种需要压力测量和对传感器尺寸和结构有苛刻要求的应用环境。