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研究生:李宏達
研究生(外文):hong-da Lee
論文名稱:新型平面熱電式致動器之設計與開發
論文名稱(外文):Design and Fabrication of The Novel Planar Electro-thermal Actuator
指導教授:李正國李正國引用關係
指導教授(外文):Chengkuo Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
中文關鍵詞:雙向式熱電式致動器光切換器
外文關鍵詞:thermal actuatorsH-beamoptical switch
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微機電元件的設計包含微致動器(microactuators)、微感測器(microsensors)及相關傳動元件微小化技術,其中微致動器為實現微機電系統(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)在微驅動技術中不可或缺之基本單元。
在同平面的直流驅動之熱電式致動器因焦耳熱所造成之淨體積膨脹量,而產生的位移,只能往某一特定方向移動,一旦驅動電壓消失,其尖端位移量消失又回到最初位置。以動態觀點來看是為一種雙向來回振動,但微繼電器和光開關等元件卻是需要真正靜態來回驅動位移,故使傳統同平面熱電式致動器用處因而受限。
本實驗首先根據之前所設計雙向式thermal actuators的缺點,重新設計出兩款新型之H-beam雙向式致動器(為Type1和Type2)。
其次再比較幾組不同尺寸之H-shape X-beam thermal actuators,由實際量測之結果獲得最佳設計參數為: Beam Width -- 8μm及Beam angle 0.5°,且其位移量都可達80μm以上;然後在根據所得之最佳beam width尺寸及beam角度,設計出一新型H-beam雙向式致動器(Type3 H-beam)。
然後,這三種thermal actuators 先以ANSYS模擬比較,再經實際量測其位移量結果,得到最好的一組H-beam 雙向式致動器,為Type1 H-beam 雙向式致動器,其在驅動電壓50V時,位移量可達50μm。
並且將Type1 H-beam 雙向式致動器應用在2×2 光切換器平台上。本實驗亦量測2×2 光切換器之光學訊號,Transmission state 之IL=-0.96dB、BR=-50dB和PDL=-0.01dB﹔Switching state 之IL=-1.25dB、BR=-57dB和PDL=-0.05dB,都可得到不錯量測結果 。量測switching speed時,在驅動電壓29V時,微反射遮板前進光切換時間為6.8ms,和微反射遮板後退光切換時間為1.96ms,亦能獲得較佳之結果。
The electrothermal actuators have been known as their large displacement and high force output. There are two well-studied electrothermal actuators, i.e., the U-shaped actuator and V-beam actuator. Both actuators can provide one directional displacement in the static actuation operation. This characteristic is attributed by that static displacement generated from electrothermal actuators is formed by net volume expansion due to the thermal expansion difference distributed over the whole actuator structure. Since the net volume expansion is always pointing to one direction. In the application of optical switch, it is common to require the on-off operation from the device view point. Thus the actuator is demanded to provide the two-way motion, i.e., forward and backward, for optical switch application.
This thesis first presents the comprehensive study on a new electrothermal actuator, denoted as H-shape X-beam actuator. This new actuator can provide large static displacement and force output. Briefly speaking, we compared several different types of H-shape X-beam actuators. According to the simulated results and the measured results, we can find out the optimal design parameters are beam width of 8μm , beam angle of 0.5 degree, and it can achieve maximum displacement of 86μm, under driving voltage of 23 V.
Secondly, we proposed a new bi-directional movable electrothermal actuator, denoted as H-beam actuator. We verified the design of H-beam actuators by experimental data based on three types of structures. The best design, type 1 design, of H-beam actuator can generate forward maximum displacement of 52μm, under driving voltage of 40V, and backward maximum displacement of 52μm, under driving voltage of 40 V.
Finally, the derived 2x2 optical switch using type 1 H-beam actuator can achieve performance including: IL=-0.96dB, BR=-50dB and PDL=-0.01dB(Transmission State) under driving voltage of 29 V; IL=-0.96dB, BR=-50dB and PDL=-0.01dB(Switching State) under driving voltage of 29V. Forward Switching time is 6.8ms, and backward Switching time is 1.96ms.
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
誌謝Ⅲ
目錄Ⅳ
圖目錄Ⅵ
表目錄Ⅸ
第一章 緒論1
1-1前言1
1-2文獻回顧3
1-3研究目的與動機12
第二章 微熱電式致動器理論分析14
2-1材料電阻值計算14
2-2熱膨脹變形15
2-3電流與溫度16
2-4位移與輸出力18
2-5挫曲樑(Buckling spring)之理論分析20
第三章 設計與模擬22
3-1 H-shape X型樑微熱式致動器22
3-2雙向式H型樑微熱電式致動器32
第四章 製程設計與結果39
4-1製程步驟39
4-2製程結果42
4-2-1 H-shape X型樑微熱電式致動器之完整結構圖42
4-2-2雙向式H型樑微熱電式致動器之完整結構圖46
4-2-3雙向式H型樑微熱電式致動器之應用﹕2×2 OpticalSwitch
完整結構圖48
第五章 量測51
5-1微致動器量測系統架構51
5-2 H-shape X型樑微熱式致動器之位移量測54
5-3 H型雙向式微熱電式致動器之位移量測59
5-4光學量測系統架構64
5-5 2×2 Switch 之光學量測73
第六章 參考文獻80
圖目錄
圖1-1 Riethmuller 提出應用雙金屬效應作為驅動方式的微熱電式致動器-3
圖1-2 Guckel 提出冷熱臂式微熱致器4
圖1-3 利用軛 (yoke) 結合陣列式致動器,產生線性運動5
圖1-4 利用微致動器將反射鏡拉致垂直位置,並完成整個自動定位5
圖1-5 單一V型懸樑微熱致動器之結構示意圖6
圖1-6 利用多重V型懸樑微熱致動器來增加位移量7
圖1-7 單層出平面薄膜致動器示意圖8
圖1-8 熱電式振動馬達示意圖9
圖1-9 整合在自由空間的光開關平台示意圖10
圖1-10 雙向微熱電式致動器示意圖10
圖1-11 改良式雙V型樑側像連接微熱電式致動器11
圖1-12 不同型式雙向微熱電式致動器示意圖13
圖2-1 V型熱電式致動器位移示意圖16
圖2-2 (a) 輸出力與位移之關係圖﹔(b) 懸樑受到外力之挫曲圖20
圖3-1 ANSYS模擬軟體中所建立的微熱電式致動器分析模型23
圖3-2 H-shape X型為熱電式致動器理論分析模型及尺寸示意圖23
圖3-3 懸樑頃斜0.5°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之位移量與驅動電壓關係圖24
圖3-4 懸樑頃斜1°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之位移量與驅動電壓關係圖25
圖3-5 在相同懸樑寬度為6μm 和不同之懸樑傾斜角度0.5°、1°下,位移量與驅動電壓之關係圖26
圖3-6 在相同懸樑寬度為8μm和不同之懸樑傾斜角度0.5°、1°下,位移量與驅動電壓之關係圖27
圖3-7 在相同懸樑寬度為10μm和不同之懸樑傾斜角度0.5°、1°下,位移量與驅動電壓之關係圖27
圖3-8 在相同的懸樑傾斜角度0.5°下,改變懸樑寬度各為6μm、8μm和10μm,得到驅動電壓與輸出力之關係圖30
圖3-9 在相同的懸樑傾斜角度1°下,改變懸樑寬度各為6μm、8μm和10μm,得到驅動電壓與輸出力之關係圖31
圖3-10 H型雙向式微熱電式致動器示意圖32
圖3-11 Type1 H型微熱電式致動器向前致動時變形圖33
圖3-12 Type2 H型微熱電式致動器向前致動時變形圖34
圖3-13 Type3 H型微熱電式致動器向前致動時變形圖34
圖3-14 Type1 H型微熱電式致動器向後致動時變形圖35
圖3-15 Type2 H型微熱電式致動器向後致動時變形圖35
圖3-16 Type3 H型微熱電式致動器向後致動時變形圖36
圖3-17 ANSYS模擬分析不同結構設計之雙向式微熱電式致動器之驅動電壓與位移量36
圖3-18 不同結構形式之雙向式微熱電式致動器之輸出力與驅動電壓之關係圖38
圖4-1 製程示意圖41
圖4-2 H-shape X型樑微熱電式致動器2010D5結構SEM圖43
圖4-3 H-shape X型樑微熱電式致動器2008D5結構SEM圖43
圖4-4 H-shape X型樑微熱電式致動器2006D5結構SEM圖44
圖4-5 H-shape X型樑微熱電式致動器20101結構SEM圖44
圖4-6 H-shape X型樑微熱電式致動器20081結構SEM圖45
圖4-7 H-shape X型樑微熱電式致動器20061結構SEM圖45
圖4-8 Type1 H型雙向微熱電式致動器SEM圖46
圖4-9 Type2 H型雙向微熱電式致動器SEM圖47
圖4-10 Type3 H型雙向微熱電式致動器SEM圖47
圖4-11微反射遮板與ㄇ型結構之SEM圖49
圖4-12 2×2 Optical Switch結構圖50
圖5-1量測設備架構示意圖53
圖5-2量測實驗之系統架構53
圖5-3 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜0.5°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之驅動電壓與位移量之關係圖55
圖5-4 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜1°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之驅動電壓與位移量之關係圖56
圖5-5 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜0.5°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之電流與位移量之關係圖56
圖5-6 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜1°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm 電流與位移量之關係圖57
圖5-7 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜0.5°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之功率與位移量之關係圖57
圖5-8 H-shape X型微熱電式致動器其懸樑傾斜1°時,懸樑寬度為6μm、8μm和10μm之功率與位移量之關係圖58
圖5-9 三種型式熱電式致動器之Electro-thermal figure of merit 示意圖61
圖5-10 H型雙向式微熱電致動器驅動電壓、電流和微致動器之位移量的關係圖62
圖5-11 H型雙向式微熱電致動器驅動電壓、電流和微致動器之位移量的關係圖63
圖5-12 光纖剝除器及光纖切割器65
圖5-13 光纖熔接機66
圖5-14 精密定位平台66
圖5-15 功率檢測儀表70
圖5-16 量測嵌入損耗之系統架構示意圖70
圖5-17 PDL量測工具71
圖5-18 量測Back reflection loss示意圖71
圖5-19 Switching speed量測架構圖72
圖5-20 Switching speed量測示意圖72
圖5-21光切換器之動作示意圖74
圖5-22光切換器之量測動作示意圖77
圖5-23微反射遮板之SEM圖77
圖5-24 Switching speed之量測圖79
表目錄
表3-1 H-shape x-beam thermal actuator驅動電壓與輸出力30
表3-2 H-beam thermal actuator驅動電壓與輸出力37
表4-1 H-shape Xbeam thermal actuator種類表42
表5-1 三種型式熱電式致動器在不同驅動條件下之Z值表60
表5-1optical switch光學量測數據表78
表5-2 optical switch驅動電壓與Switching speed 之量測數據表79
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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