多物理场耦合下微谐振器非线性动力学及其控制研究

发布时间：2021-11-09 08:46

　　MEMS系统技术是21世纪发展的具有革命性的高新技术,在航空航天、精密仪器、生物技术、人工智能等领域有着广泛的应用,是国家中长期科学和技术发展规划纲要明确指出的重要发展方向。随着MEMS器件尺寸减小、精度提高、性能的不断改善,面临着各种需要解决的力学问题。对于各类微谐振器、微陀螺仪等,深入研究复杂环境下非线性振动行为以及各种动力学耦合机制有助MEMS器件的优化设计和应用拓宽。微梁/梳齿结构是MEMS谐振器的核心部件,其主要利用谐振器内部机械谐振特性而工作。然而此类结构在静电驱动力下工作时存在结构大变形非线性、静电力非线性,各物理场之间存在复杂的能量转换关系以及结构内部存在复杂的模态耦合,同时微尺度下材料表现的尺度效应和蠕变特性都会对系统产生重要的影响。复杂的环境耦合条件以及不可避免的非线性因素抑制了MEMS技术的发展,考虑微尺度效应,开展复杂耦合环境和非线性条件下谐振器的非线性动力学行为以及优化问题研究,同时阐述复杂运动形式下能量转移耗散机制的演变规律对于提高MEMS研发水平、拓宽MEMS应用领域具有显著的指导意义。本文以平行板电容驱动微梁和微梳齿结构为研究对象,分别深入研究了不同耦合... 

【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：162 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－２典型静电驱动微谐振器的力学模型??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｍｏｄｅｌｓ?ｆｏｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ?ａｃｔｕａｔｅｄ?ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ??

和定量研宄，将谐振器模型做如下简化处理：微梁假设为欧拉－伯努利梁模型，??该模型受到平行极板之间静电力作用，考虑微梁的轴向残余应力或预应力，忽略??静电场的边缘效应，由此可以得到谐振器的简化力学模型如图２－１所示，其中ｗ??为梁的横向位移，ｄ为梁与基底间的初始间距，匕为直流电压的幅值，匕和Ｑ为??１５??

果更加吻合，特别是随着直流电压趋近静态吸合电压，传统伽辽金离散方法的误??差越来越大，而非线性伽辽金表现出很好的收敛性。??图２－２详细展示了随着直流电压从０到吸合电压之间变化时三种方法之间的??结果对比，当直流电压远离吸合电压时，三者之间的结果是基本吻合的；但是随??着直流电压的增加，静态位移的逐渐增大，传统伽辽金离散方法的误差越来越大。??而非线性伽辽金离散结果始终和仿真结果相吻合。接下来不同直流电压下系统的??固有频率也可以通过上述三种方法计算出来，结果如表２－１所示。非线性伽辽金??计算结果相对于传统伽辽金离散结果误差更小，当电压接近吸合电压时，传统伽??辽金离散结果会导致９％左右的误差，而非线性伽辽金方法的误差只有２．３％。在??远离吸合电压位置是，非线性伽辽金离散结果与仿真结果之间的误差低于１％。??２３??

【参考文献】：
期刊论文
[1]大位移MEMS静电梳齿驱动器的设计及制作[J]. 明安杰,李铁,王跃林.  功能材料与器件学报. 2009(01)

博士论文
[1]一类双极板静电驱动微梁谐振器的非线性振动及其控制研究[D]. 韩建鑫.天津大学 2016
[2]复杂力学环境中MEMS安全系统失效机理与分析方法研究[D]. 张建宏.北京理工大学 2014
[3]微机械谐振器的能量耗散机理与复杂动力学特性研究[D]. 仲作阳.上海交通大学 2014
[4]微结构尺寸效应研究及其应用[D]. 王炳雷.山东大学 2011

硕士论文
[1]热弹耦合功能梯度圆板的热冲击屈曲[D]. 于凯.兰州理工大学 2016
[2]功能梯度微环板的非线性弯曲和后屈曲分析[D]. 刘晓红.北京交通大学 2013
[3]MEMS执行器多场耦合分析[D]. 金才.沈阳理工大学 2013
[4]热冲击下纤维增强复合材料热力耦合问题研究[D]. 陈立群.重庆大学 2012
[5]MEMS微结构力学性能的尺度效应研究[D]. 冯南鹏.南京理工大学 2009
[6]MEMS微结构动力学特性研究[D]. 葛金生.南京理工大学 2008



本文编号：3485008