静电驱动MEMS扭转微镜的复合非线性反馈滑模控制策略

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环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜

环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜

环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜马文英;魏耀华;汪为民;王强【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2016(28)6【摘要】The micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS)mirror is an important optical device in laser display, light beam scanning,and adaptive optics applications.MOEMS mirrors are mostly attractive electrostatically actuated in the re-ported literatures,which are troubled by the pull-in effect.Additionally,the mismatch of square actuators and circular mirror will make the fill factor much lower.A MOEMS mirror based on electrostatic repulsive circular actuator and surface fabrication process is proposed in this paper.Arranged like a ring around,the actuator matches well with the circular mirror.The designed MOEMS mirror has an aperture of 204 μm,and is fabricated by polycrystalline si licon multi-users-MEMS-processes (Poly-MUMPs)process.Simulation and experimental results show that the mirror has a maximum rotation angle of 0.62°,a response time of 494 μs and an operation bandwidth of 1.1 91 kHz,and is suitable for the common beam scanning applications.%微光机电系统(MOEMS)微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。

考虑边缘效应的扭转微镜的动力响应分析

考虑边缘效应的扭转微镜的动力响应分析

静态特性 的分析 , 许多研究工作者进行了深入 的研究 。
Z a g H ag 分 别就非 耦 合和耦 合两 种情 形下 的 hn¨ 和 un 吸合效应 进 行 了研 究 , 构建 了扭 转 微 镜 的非 耦 合 和 并
1 扭 转 微 镜 的动 力 学模 型
图 1 a 是 扭 转微 镜 的三 维示 意 图 , 中微 镜 两 端 () 图 由微 梁支 承 , 梁 两 端 与 基 底 固结 。将 微 镜 视 为 一 刚 微
矩趋 于无穷 大 , 使 所 得 结 果 在 步 长较 小 时计 算 不 稳 致 定 。并 且 , 实 际应用 中 的微 镜都 是 有 限 尺度 的 , 在 因此 有必要 考 虑 边 缘 效 应 对 其 动 态 特 性 的影 响 。王 明 智
等 对微 梁结 构 的静 电力 边缘 效应 作 了较 为详 细 的分 析 ; 剑等 从 计 及 边 缘 效 应 的 二 维平 行 板 电 容计 算 赵
维普资讯
振 第2 6卷第 l 2期




J OURNAL B OF VI RArI ION ’ AND SHOCK
考虑 边缘 效应 的扭 转微 镜 的动 力 响应分 析
袁丽芸 , 向 宇, 陆 静
( 广西工学 院汽车工程 系 , 柳州
转微镜动态响应的影 响。由于在计及边缘效应后 , 系统方程 的驱动力项比较复杂 , 不能导出其解析表达式 , 故采用了数值积 分方法进行相关处理 , 并采用迭代修正齐次扩容精细积分 法求解非线性动力方程 , 得到了稳定 、 精确 的数值解。计算结果显
示, 动态响应幅值在计及边缘效应后 比未计 及时要大 , 且扭转微镜 的尺寸参数对边缘效应 的影响有很大 的关联性 。 关键词 :ME ; MS 扭转微镜 ; 边缘效应 ; 迭代修正 齐次扩容精细积分法 ; 非线性振动

滑模控制技术在机械臂路径跟踪的应用

滑模控制技术在机械臂路径跟踪的应用

滑模控制技术在机械臂路径跟踪的应用一、滑模控制技术概述滑模控制技术是一种非线性控制方法,起源于20世纪50年代,最初应用于航空领域。

它的核心思想是通过设计一个滑动面,使得系统状态能够从初始状态到达这个滑动面,并在其上滑动至目标状态。

滑模控制具有快速响应、抗干扰能力强、易于实现等优点,因此在工业自动化、机器人控制等领域得到了广泛的应用。

1.1 滑模控制技术原理滑模控制技术的基本原理是选择一个合适的滑动面,使得系统状态在该面上的动态行为满足期望的性能指标。

当系统状态达到滑动面时,控制作用会使得状态沿着滑动面滑动,直至达到期望的平衡状态。

滑模控制的关键在于滑动面的设计,它决定了系统的动态性能和稳定性。

1.2 滑模控制技术特点滑模控制技术具有以下特点:- 强鲁棒性:对系统参数变化和外部干扰具有较强的不敏感性。

- 快速性:能够快速响应系统状态的变化,实现快速跟踪。

- 易于实现:控制算法结构简单,易于在数字控制系统中实现。

- 可调整性:通过调整控制参数,可以灵活地满足不同的性能要求。

二、机械臂路径跟踪问题机械臂路径跟踪是机器人技术中的一个重要问题,它要求机械臂能够按照预定的路径精确地移动,以完成各种任务。

路径跟踪的精度直接影响到机械臂的操作性能和任务完成的质量。

2.1 机械臂路径跟踪的重要性机械臂路径跟踪的精确性对于提高生产效率、保证产品质量具有重要意义。

在自动化生产线、医疗手术、空间探索等领域,精确的路径跟踪是实现高效、安全操作的基础。

2.2 机械臂路径跟踪的挑战机械臂路径跟踪面临诸多挑战,包括:- 动力学不确定性:机械臂的动力学特性可能因负载变化、磨损等因素而发生变化。

- 外部干扰:环境因素如温度、湿度、振动等可能对机械臂的运动产生影响。

- 非线性特性:机械臂的动力学模型通常具有非线性特性,增加了控制的复杂性。

三、滑模控制在机械臂路径跟踪中的应用将滑模控制技术应用于机械臂路径跟踪,可以有效提高跟踪精度和系统稳定性。

MEMS扭转微镜静态特性的温度效应分析

MEMS扭转微镜静态特性的温度效应分析
( F a c u l t y o f S c i e n c e , J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , G a n z h o u 3 4 1 0 0 0 , C h i n a )
mi ro r i s i n t r o d u c e d . T h e t r e n d o f t e mp e r a t u r e e f f e c t o n p u l l - i n v o l t a g e , r e l e a s e v o l t a g e , a n d t h e a n g l e V S . d r i v i n g
第3 5 卷 第1 期
2 0 1 4年 2 月
江 西 理 工 大学学报
o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y J o u r n a l o f J i a n g x i U n i v e r s i t y
b e e n a n ly a z e d n u me r i c a l l y . An d t h e s l o p e o f i n c r e a s e p e r c e n t a g e o f t y p i c a l v o l t a g e s V S . t e mp e r a t u r e i s a d o p t e d效应分析
叶坤涛 , 罗 伟
( 江西 理 工 大 学 理 学 院 , 江西 赣州 3 4 1 0 0 0 )

要: 文章 从静 电力驱 动的扭 转微 镜 的静 态特性 静 力 学模 型 出发 , 分析 了扭 转微 镜静 态特性 的

正弦激励下扭转微镜动态特性分析

正弦激励下扭转微镜动态特性分析

第19卷第3期 广西工学院学报 20o8年9月 JoI NAI.0F GUAf、jG XI UNIv】 ITY 0F 11 HNO1 0GY V01.19 N0.3 

S印.2oo8 

文章编号1004.6410(2008)03—0001.04 

正弦激励下扭转微镜动态特性分析 

陆 静 (广西工学院汽车工程系,广西柳州545006) 

摘要:考虑边缘效应的影响,建立了耦合扭转微镜的非线性动力学方程,研究了正弦激励下耦合扭转微镜的动力 学特性。数值分析表明,在考虑了边缘效应后微镜的扭转角和垂直位移增大,响应的周期不变,共振频率约为固有 频率的一半。 关键词:微镜;边缘效应;非线性方程;动态特性;正弦激励 中图分类号:TP211 文献标识码:A 

O 引言 扭转微镜是近年来随着微机电技术的发展而逐渐得到广泛应用的一种微型光学器件,在现代光学通讯、 光计算、投影显示、高清晰度电视等方面有着十分广泛的应用。许多学者对微镜的力学性能进行了广泛的研 究 ],但在现有文献中静电力的计算都是基于无限大平板理论,在建立力学模型时忽略了边缘电场的影 响。由于微镜在正弦激励下的响应和频率分布非常复杂,因此微镜的动态研究多数是针对阶跃激励。文献 [5]研究了微镜在正弦激励下的非线性特性,但未考虑弯曲变形和边缘效应的影响,模型较简单。本文考虑 了边缘效应的影响,建立了耦合扭转微镜的动力学模型,并利用该模型分析了正弦激励下微镜的非线性动力 学特性及边缘效应对于扭转微镜动态特性的影响。 

l微镜动力学模型 微镜结构如图1所示,图(a)为三维示意图,图(b)为横截面图。图中口、L分别为微镜的宽度和长度,z 为扭转微梁的长度,^为微镜电极之间的初始距离,V为输入的电压,口I、口2为电极的宽度, 为微镜的扭转 角, 为微镜的垂直位移。 

基 (b) 图l微镜示意图 收稿日期:2008一O5一l1 基金项目:广西高校百名中青年学科带头人资助计划项目、广西自然科学基金(桂科自o481028)资助项目资助。 作者简介:陆静,女(1973.),广西武鸣人,广西工学院汽车工程系讲师,硕士。 2 广西工学院学报 第19卷 在激励电压作用下,微镜静电力形成驱动力矩使镜面绕挠性梁转动,实现光束的扫描。在一些文献中只 考虑了微镜的扭转变形,实际上由于微镜是由2根挠性梁支撑的,在静电力的作用下,除扭转变形外还会在 垂直方向产生位移,即弯曲变形。静电力与极板间距的平方成反比,当扭转运动增强时,间距减小导致静电 力增大,弯曲变形也会增加,对微镜的动态特性会产生较大的影响。因此,微镜的变形应是扭转一弯曲耦合 变形,动力学方程可以表示 

应用于激光雷达的二维静电微镜设计

应用于激光雷达的二维静电微镜设计

2021年第40卷第2期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)65DOI : 10.13873/J. 1000-9787(2021)02-0065-04应用于激光雷达的二维静电微镜设计**收稿日期:2019-4)9-18*基金项目:国家重点研发计划资助项[3 (2016YFB0401903 .2018YFF01010901)单亚蒙I *,任丽江邛,沈文江$(1.中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院,安徽合肥230026;2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米器件与应用重点实验室,江苏苏州215123;3•西安交通大学电子科学与工程学院,陕西西安710049)摘 要:设计了一种应用于激光雷达的二维静电驱动谐振式微机电系统(MEMS)扫描微镜。

基于MEMS技术对微镜加工工艺进行设计,简化了电隔离槽制备工艺,利用在绝缘体上硅(S0I)晶圆顶层硅刻蚀微镜结构的同时刻蚀电隔离槽,无需填充绝缘材料,实现动静梳齿的电绝缘;利用SOT 晶圆底层硅的背面刻蚀结构,实现机械结构的连接,保证二维微镜结构的完整性。

制备出镜面直径为4mm 二维谐振扫描微镜,并运用有限元法模拟微镜谐振频率,其仿真结果与实际测得的结果基本一致。

在40,50 V 的方波电压驱动下,快轴和慢轴的测量谐振频率分别为1618.2,328.2 Hz,相对应的光学扫描角度分别为16。

,21。

,并得到在此谐振工作下的李萨如扫描图。

关键词:微机电系统;静电驱动;电隔离槽;微机电系统(MEMS)激光雷达中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2021 )02-0065-04Study on 2D electrostatic-driven micro scanningmirror applied to LiDAR *SHAN Yameng 1-2, REN Lijiang 2'3, SHEN Wenjiang 2(1. School of Nano Technology and Nano Bionics , University of Science and Technology of China , Hefei 230026, China ;2・ Key Laboratory of Nanodevices and Applications , Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano K ・Bionics , ChineseAcademy of Sciences ,Suzhou 215123,China ;3・ School of Electronic and Information Engineering ,Xi' an Jiaotong University ,Xi ? an 710049,China)Abstract : A two-dimensional electrostatic-driven micro scanning mirror for the LiDAR application is designed.Based on the micro-electro-mechanical system ( MEMS ) technology , the micromirror processing process is designed to simplify the preparation process of the electrical isolation trench. The micromirror structures and isolation trenches between combs are patterned and etched at the same steps on the top silicon layer of a silicon on insulator(SO I ) wafer. Phese trenches are not filled with insulating materials. During backside releasing etch on the bottom silicon layer of the SOI wafer, mechanical structures are designed and formed to maintain the integrity of themicromirror. A two-dimensional resonant microminor withmm minor surface is prepared , resonant frequency of micromirror is analyzed by using finite element simulation , the simulation results are consistent with themeasurement data of the device. The measured resonant frequencies of the two d imensional micromirror for the fast and slow-axis are 1618. 2 Hz and 328. 2 Hz, respeclively. The corresponding optical scanning angles are 16° and21° respectively, with the square wave voltages of 40 V and 50 V. In addition , the dual axis of the micromirror works al this frequency and successfully scans the Lissajous figure .Keywords : micro-electro-mechanical system ( MEMS ) ; electrostatic drive ; electrical isolation trenches ; MEMSLiDAR0引言基于微纳制造技术所制备的微机电系统(micro-electro-mechanical system , MEMS )微镜,具有重量轻、体积小、成本低等优点,其作为光学应用系统的核心器件,已在激光投影 显示、条形码扫描及自聚焦微型显微镜等方面广泛应用U 创o 如今,伴随着无人驾驶概念的提出,MEMS 激光雷 达走入视野。

mems光开关

MEMS光开关研究袁矿英(深圳大学研究生一年级信息工程学院通信专业2100130220 )摘要:光开关是光网络中完成全光交换的核心器件,它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。

文章重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用,并就其他光开关作了简要介绍。

文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展,并详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和发展趋势,概述了光开关的各种性能指标。

最后文章介绍了MEMS光开关的发展动态。

关键词 MEMS光开关全光网络1 引言光开关是光纤通信系统重要的光器件之一,具有一个或多个可选择的传输端口,可对光传输线路或集成光路中的光信号进行互相转换或逻辑操作。

光开关可用于光纤通信系统、光线测量系统、以及光纤传感系统中,起到切换光路的作用。

交换作为光网络中的关键技术,而光交换系统的基本单元是光开关,作为光通信中的一种重要器件,人们对光开关的研究已有二三十年的历史。

由于人们对器件材料、器件工作原理和加工工艺等多方面认识和研究的不断深化。

光开关的类型呈现出多元化发展的趋势。

当今通信研究中,如何实现大规模数据在任意两点的高速、高效、可靠的传输,一直是通信研究的方向。

光纤通信的出现,为高速信息传输提供了巨大的频带资源,目前世界大约85%的通信业务京广线传输,长途干线网和本地网也已广泛使用光纤。

同时,随着密集波分复用(DWDM)技术的应用和新型光通信器件技术的发展,光联网(OTN)已成为下一代高速度宽带通讯网络的发展趋势。

光联网技术以新型光开关、光放大器、光衰减器、光限幅器等器件为核心技术。

九十年代中期,密集波分复用技术(DWDM)的应用为宽带高速光联网的发展提供了可能,同时也对作为光通信网络连接的光交叉互联系统(OXCS)和波长上下路复用上下路技术的核心器件。

OXCS中的光开关矩阵可实现动态光路经管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能,对解决目前复杂网络中的波长争用,提高波长重用率,进行网络灵活配置均有重要的意义。

静电排斥型微机电系统变形镜驱动器

计并 制作 了一种 基 于静 电排斥 力驱 动 的 ME MS变 形 镜 的驱 动 器 。
1 设 计 原 理
静 电排斥 型 ME MS变形 镜 的 驱动 器是 基 于 非 均 而 成 的[9 。 于 图 1 a 所示 的 电极空 间排 布方 式 , 8] 对 - () 当给 中间 的两 个 电极 施 加 同样 的高 电压V, 另外 两个 边 缘 电 而
图 1 驱 动 器 的设 计 原 理 图

收 稿 日期 : 0 9 0 ~ 1 2 0 — 42 ; 修 订 日期 : 0 90 7 2 0 — 70 基 金 项 目: 国科 学 院实 验 室 创 新 基 金 项 目( J 0 0 ) 低 维 量 子 结 构 与调 控 教 育 部 重 点 实 验 室 资 助课 题 ( QC 9 9 中 CX J 9S 5 ; Qs 0 0 ) 作 者 简 介 : 放荣 (9 3 , , 南 永 州 人 , 胡 1 7 一) 男 湖 博士 研 究 生 , 究 方 向为 微 光 机 电 系统 ( 研 MOE ) MS 及其 应 用 ;h fn rn @sn.o 。 uago g iacr n
摘 要 : 为 了克 服 常 规 静 电微 机 械 驱 动 器 所 存 在 的静 电吸 合 现 象 , 于非 均匀 分 布 的静 电场 可 以产 生 排 基 斥 力 的原 理 , 计 了一 种 新 型 的 微 机 电系 统 变 形 镜 驱 动 器 。驱 动 器 由 5组 电 极 构成 , 大 的一 组 由 中心 质 量 块 设 最
第2 2卷第 1期
21 0 0年 1 月
强 激 光 与 粒 子 束
HI GH POW ER IASER AND PARTI CLE BEAM S
Vo1 2 . 2,N O 1 .

mems微静电陀螺仪结构设计和加工工艺


m, (c)第二次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 从而形成6 m深的键合台面和14个2 m高 的止挡。
(d)铝牺牲层工艺。溅射铝膜500nm。去 胶剥离多余铝,形成铝质薄膜牺牲层。 (e)第一次玻-硅键合。将硅片正面与制备 了电极的底层玻璃进行静电键合。

(f)硅片减薄。采用湿法刻蚀将硅片厚度 减至约80 m,再用抛光液在聚氨酯盘上进 行抛光。
3、LIGA和准LIGA工艺。通过电铸方法加工出大高宽比的可活动微结构,机械 性能好,灵敏度高,但工艺难度大,成本高。
体硅深刻蚀释放工艺
(1)刻蚀浅槽
(4)阳极键合
(2)表面掺杂
(5)硅片减薄
(3)金属电极
(6)释放结构
体硅深刻蚀释放工艺
牺牲层工艺
由于转子无任何机械约束,若在电感耦合等离子体ICP刻蚀过程中将 转子一次性释放,则转子容易在膨胀气体作用下迸出。在工艺设计 中引入铝牺牲层对转子进行约束,牺牲层为薄膜梁结构,铝牺牲层 均匀覆盖在转子底层内外两侧,厚度为500nm。在结构加工完成后, 采用湿法刻蚀将牺牲层去除。
工艺流程
加工工艺流程(2)
(g)第3次RIE刻蚀。刻蚀深度为4 m,形 成4 m高的顶部键合台面。 (h)第4次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 m,形 成6 m深的键合台面和2 m高的止挡。 (i)ICP释放结构。采用刻蚀机将硅结构层 刻透,形成径向电极、导通硅和转子。 (j)第2次玻-硅键合。将硅背面与顶层玻璃 进行静电键合。 (k)划槽和裂片。按照玻璃片上已有的划 片标记对组合片进行手工划片,裂片得到单 个管芯。 (l)湿法去除铝牺牲层。裂片后,将管芯浸泡 在配置好的铝刻蚀剂中,在超声波环境中将 其去除,最后清洗、烘干,得到转子可动的 微结构。
加工工艺流程(1)
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静电驱动MEMS扭转微镜的复合非线性反馈滑模控制策略
静电驱动MEMS扭转微镜的复合非线性反馈滑模控制策略
摘要:随着微纳米技术的不断发展,微机电系统(MEMS)的应用越来越广泛,其中静电驱动MEMS扭转微镜具有重要的
研究价值和广泛的应用前景。

然而,由于静电驱动所带来的非线性和耦合特性,使得系统的控制变得复杂和困难。

因此,本文提出了一种新的复合非线性反馈滑模控制策略(Compound Nonlinear Feedback Sliding Mode Control,CNF-SMC)来提高静电驱动MEMS扭转微镜的控制性能和稳定性。

1. 引言
静电驱动MEMS扭转微镜广泛应用于光学、通信、精密测量等
领域。

它具有体积小、功耗低、响应速度快等优势。

然而,由于静电驱动的非线性和耦合特性,使得系统的控制成为一项困难任务。

2. 静电驱动MEMS扭转微镜系统建模
本文建立了静电驱动MEMS扭转微镜的数学模型,并分析了其
中的非线性和耦合特性。

通过合理的参数选择和模型简化,得到了系统的简化模型。

3. 复合非线性反馈滑模控制策略
为了解决静电驱动MEMS扭转微镜的非线性和耦合特性,本文
提出了一种复合非线性反馈滑模控制策略。

该策略以静电驱动器的输出电压和电流作为系统的输入,通过引入一种非线性反馈控制器和滑模控制器,实现系统的稳定控制。

4. 仿真结果及分析
通过Matlab软件对所提出的复合非线性反馈滑模控制策略进
行仿真,验证了该策略的有效性和性能优越性。

仿真结果显示,
该策略能够快速而稳定地将系统的输出变量控制到期望值附近,并且抑制了系统的非线性和耦合特性。

5. 实验验证及分析
本文设计了一套实验平台,用于验证所提出的复合非线性反馈滑模控制策略的实际控制效果。

实验结果显示,该策略能够快速、准确地将静电驱动MEMS扭转微镜的输出控制在期望值范
围内,具有很好的控制性能和稳定性。

6. 结论
本文提出了一种新的复合非线性反馈滑模控制策略,用于提高静电驱动MEMS扭转微镜的控制性能和稳定性。

通过仿真和实
验验证,证明了该策略的有效性和优越性。

这对于进一步推动静电驱动MEMS扭转微镜的发展和应用具有重要意义。

7. 展望
虽然本文提出的复合非线性反馈滑模控制策略在静电驱动MEMS扭转微镜的控制方面取得了良好的效果,但仍然存在一
些问题和挑战。

未来的研究工作可以进一步优化控制器的设计和参数选择,提高系统的响应速度和鲁棒性。

同时,还可以探索其他控制策略和方法,为静电驱动MEMS扭转微镜的控制提
供更多的选择和解决方案。

综合以上研究结果,本文提出的复合非线性反馈滑模控制策略在静电驱动MEMS扭转微镜的控制方面取得了显著的成果。

通过仿真和实验验证,该策略在快速、稳定地将系统的输出变量控制到期望值附近方面表现出优越性,并有效抑制了系统的非线性和耦合特性。

此外,实验平台的设计和实际控制效果展示了该策略的良好控制性能和稳定性。

然而,还存在一些问题和挑战,如进一步优化控制器设计和参数选择,提高系统响应
速度和鲁棒性等。

因此,未来的研究可以探索其他控制策略和方法,为静电驱动MEMS扭转微镜的控制提供更多的选择和解决方案。

这项研究对于推动静电驱动MEMS扭转微镜的发展和应用具有重要的意义。

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