厚度形态误差下静电驱动微梁谐振器的力学性能研究和优化设计

发布时间：2020-06-02 03:43

【摘要】：随着社会的飞速发展以及生活水平的不断提高,人们对微机电系统(MEMS)器件的需求越来越大。相比于传统机电系统,MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、响应快、智能化等一系列优点。然而,MEMS器件也有它自身不可避免的问题。尺寸的减小,使得MEMS器件在加工制作方面产生了非常大的难度。在加工过程中,常常会由于过度蚀刻或蚀刻不足导致MEMS器件的形状发生变化,引起器件的力学性能改变。此外,随着MEMS器件的迅速发展,也会出现许多需要解决动力学问题。因此,全面考虑真实情况对MEMS器件数学模型的影响和深入研究其非线性动力学行为将有助于该器件的优化设计和应用拓展。静电驱动微梁谐振器是MEMS器件中一种典型的动态结构传感器,主要利用谐振器内部机械谐振特性而工作。然而此类结构存在明显的刚度非线性和静电力非线性,同时加工误差导致的形状变化也会对系统的非线性造成重要的影响。考虑误差以及非线性条件下微谐振器的力学特性,对于MEMS器件的设计与优化具有指导意义。本文以两端固支静电驱动微梁谐振器为研究对象,分别利用理论、数值和有限元方法研究单极板驱动和双极板驱动下厚度形态误差对静态吸合、非线性振动以及优化设计等方面的影响。具体研究内容和研究成果如下:(一)建立了考虑中性面拉伸和误差影响的单极板静电驱动微谐振器的连续体模型,利用伽辽金法和Newton-Cotes法将系统化简为单自由度模型,通过静态方程求出截面参数和极板间距对吸合效应的影响。求出了不同截面参数和极板间距下微谐振器的小幅振动情况。并初次探讨截面参数对大幅值振动的影响。(二)研究了双极板驱动下微谐振器的静动态特性。首先理论推导了无形态误差下的微梁系统的分岔情况,通过对比静态平衡点、等效固有频率和相空间流形随激励参数的变化来讨论厚度形态误差对分岔情况的影响。利用多尺度法求出厚度形态误差对系统小幅振动时软硬特性的影响,并以线性振动为优化条件对截面参数、直流电压和极板间距的关系进行了优化。(三)研究了双参数方程控制下考虑厚度形态误差的微谐振器。此时微梁会出现关于中性面不对称的情况。考虑中性面拉伸,中性面弯曲和厚度形态误差建立了双极板静电驱动微梁谐振器的连续体模型。对静电力进行有限元分析,验证了理论结果的正确性。两方程参数改变对微谐振器静电力、吸合电压、吸合位置以及安全区域的影响被讨论。通过动态分析求出了两个方程参数满足系统为线性振动时的关系。并研究了在满足线性振动条件时微谐振器振动幅值和共振频率的变化。利用Simulink动力学仿真求出了系统的大幅值振动情况,发现当振幅增大到一定值后频响曲线会出现软硬过度行为,研究了截面参数变化对过渡点的影响,并给出直流电压、方程参数和软硬过渡点的关系方程式。
【图文】：

谐振器,体声波,固支梁,微压

第一章绪论1.1 课题研究背景和意义微机电系统（简称 MEMS，全称为 Micro-Electro-MechanicalSystem）指特征尺寸介于微米与毫米之间，集微型传感器、执行器以及信号处理、控制和驱动电路于一体的自动性能高的机电耦合微型机械装置[1]。与传统机电系统相比，，MEMS 器件具有体积小重量轻、功耗低、响应快、智能化等优点，这使得 MEMS 器件在某些高精度、高灵敏度和微细量检测等领域具有传统机械无法替代的地位，备受人们的青睐[2]（图 1-1 为几种典型的 MEMS 器件）。

几何形状,谐振器,圆盘式,梁式

生物等器件利用微电子技术和其它的微加工技术制作在芯片上，并凭借和电路的集成甚至相互间的集成来筑成复杂的微型系统。大力发展 MEMS 技术是实现低能耗、高功效、低成本生产的重要技术途径。其中，微谐振器是 MEMS 器件中的一种典型动态结构，广泛应用于动态 MEMS 中的谐振式传感器[3]、射频器件中的机械谐振天线[4]以及微机械滤波器[5]等器件之中，具有广阔的市场。微谐振器分为梁式[6]、梳齿状[7]和圆盘式[8]三种结构，如图 1-2 所示。其中梁式谐振器因为经过谐振处理过的信号稳定性和可靠性高低失真率等优点而本人们更加关注，静电驱动微梁机械谐振器更是因为能够实现高品质因子，谐振频率可高达 1GHz，使它在无线通信系统和高频滤波器等领域中表现出很强的吸引力。然而，在微尺度下，这类谐振结构存在明显的多物理场耦合效应[9]（如力、热、电、磁等交叉耦合）、微尺度效应[10, 11]（材料、力的尺度效应等）以及明显的结构非线性与静电力非线性[12, 13]，由于这些因素的存在，导致这些谐振器表现出复杂的静动力学行为[14, 15](如分岔、混沌)。通过表面加工技术制造的微梁和微膜片等构件，不可避免地受到表面加工误差的影响。表面加工误差能改变微结构的几何形状，能引起微结构机械性能改变[16]。因此，对谐振器中的微梁元件进行详细分析，深入探讨截面变化对其力学性能的影响，进而提高其工作性能，对于准确掌握其全局动力学行为、开展动力学控制问题研究以及振动优化设计具有十分重要的理论意义及工程价值。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH-39

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