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本文主要是介绍一种通过有限元仿真分析进行微夹钳设计的方法。首先以设计目标量化方法进行微夹钳的总体设计。然后通过微夹钳的梳齿驱动单元有限元仿真设计,微夹钳机械结构有限元仿真设计,详细设计微夹钳的梳齿驱动单元,微夹钳的机械结构。并依托北京大学微电子所的MEMS体硅工艺线,设加工制造出微夹钳微夹钳器件。通过初步的测试,进一步验证了微夹钳的设计。
本文提出了基于目标量化方法的微夹钳总体设计,首先按照需求和材料性能限制提出总体的设计目标。然后按照目标量化的方法将总体目标细化分解。
使用了ANSYS通用有限元仿真软件对微夹钳的机械结构进行仿真设计,通过微夹钳的结构中双端固支梁和位移放大杠杆结构的分析,以及有限元的静力分析,分析微夹钳开口度是否满足要求,微夹钳的应力强度是否超过许用应力值。同时进行模态分析,为微夹钳的驱动频率和模式提供参考。最后还通过瞬态分析,验证了瞬态分析和静力分析的一致性。
使用了ANSYS通用有限元仿真软件对梳齿驱动单元进行仿真设计。首先通过建立横向梳齿驱动静电场有限元模型,分析了驱动电压、缝隙大小、梳齿的长度、以及梳齿厚度等关键参数静电力输出的影响。同时利用ANSYS中电容提取模块CMATRIX,从静电力产生的根本原理,进行进一步验证了理论公式的正确性。
本文还针对传统ANSYS静电场有限元模型中存在误差大于16%以上的现象进行剖析,倒角补偿模型方法,通过调整倒角的半径可以使误差降低到6%左右,再同时使用端部电场区域网格进行局部再细化,可以把结果误差降低到1%以下。通过仿真分析得出一个结论:对梳齿驱动静电场分析时,单元的类型与分析方法都不是关键问题,最重要的是静电场模型改进。
最后依据北京大学微电子所的MEMS体硅工艺线,设计并加工制造出微夹钳微夹钳器件。通过初步的微夹钳的视频进行图像处理分析验证了该设计的可行性,为该微夹钳的进一步完善和实用化打下了良好的基础。