近日，振動、沖擊、噪聲研究所張文明教授團隊提出了一種新型低應(yīng)力三漸近線支撐梁設(shè)計，顯著提升了靜電MEMS微鏡的結(jié)構(gòu)可靠性和光學掃描性能。研究成果“An electrostatic micro-electromechanical systems micromirror with low-torsional stress supported by three-asymptote beam”發(fā)表在Chip上。博士生方肖勇和李昂為論文共同第一作者，張文明教授為通訊作者。
微機電系統(tǒng)（MEMS）微鏡是激光雷達、顯微成像和微型投影等領(lǐng)域的關(guān)鍵光學器件。與電磁、壓電和熱驅(qū)動方式相比，靜電微鏡因其高能效、低功耗和結(jié)構(gòu)緊湊而受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)直梁支撐結(jié)構(gòu)在倒角處容易產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，嚴重影響器件壽命，極大限制了其在高可靠性場景下的應(yīng)用。
為突破這一瓶頸，研究團隊提出了一種新型的三漸近線支撐梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。器件采用SOI硅片雙面光刻工藝制備，鏡面與支撐梁位于器件層，固定梳齒與腔體位于襯底層，整體布局緊湊有序。同時，團隊首次引入了三漸近梁的數(shù)學函數(shù)設(shè)計，使支撐梁在旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力分布更加均勻，避免了局部應(yīng)力過度集中的問題。通過調(diào)節(jié)“形狀系數(shù)”，靈活控制器件的諧振頻率，在結(jié)構(gòu)可靠性與性能可調(diào)性之間獲取最優(yōu)平衡。
仿真與實驗結(jié)果均驗證了該設(shè)計的有效性。有限元分析表明，三漸近梁的最大應(yīng)力僅為280MPa，相比傳統(tǒng)直梁大幅降低近60%，顯著提升了器件的結(jié)構(gòu)可靠性。研究團隊加工并測試了鏡面尺寸為1mm的微鏡器件，在靜態(tài)模式下實現(xiàn)了4.3°掃描角（60V驅(qū)動），在諧振模式下實現(xiàn)了3.1°掃描角（445 Hz、20 Vpp驅(qū)動）。這一成果在減弱支撐梁應(yīng)力集中與性能可調(diào)方面實現(xiàn)了雙重突破，為高性能扭轉(zhuǎn)MEMS器件的設(shè)計與應(yīng)用提供了重要參考。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2709472325000127
學院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學閔行校區(qū)機械與動力工程學院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn