【摘要】：隨著社會的飛速發(fā)展以及生活水平的不斷提高,人們對微機電系統(tǒng)(MEMS)器件的需求越來越大。相比于傳統(tǒng)機電系統(tǒng),MEMS器件具有體積小、重量輕、功耗低、響應快、智能化等一系列優(yōu)點。然而,MEMS器件也有它自身不可避免的問題。尺寸的減小,使得MEMS器件在加工制作方面產(chǎn)生了非常大的難度。在加工過程中,常常會由于過度蝕刻或蝕刻不足導致MEMS器件的形狀發(fā)生變化,引起器件的力學性能改變。此外,隨著MEMS器件的迅速發(fā)展,也會出現(xiàn)許多需要解決動力學問題。因此,全面考慮真實情況對MEMS器件數(shù)學模型的影響和深入研究其非線性動力學行為將有助于該器件的優(yōu)化設計和應用拓展。靜電驅動微梁諧振器是MEMS器件中一種典型的動態(tài)結構傳感器,主要利用諧振器內(nèi)部機械諧振特性而工作。然而此類結構存在明顯的剛度非線性和靜電力非線性,同時加工誤差導致的形狀變化也會對系統(tǒng)的非線性造成重要的影響�？紤]誤差以及非線性條件下微諧振器的力學特性,對于MEMS器件的設計與優(yōu)化具有指導意義。本文以兩端固支靜電驅動微梁諧振器為研究對象,分別利用理論、數(shù)值和有限元方法研究單極板驅動和雙極板驅動下厚度形態(tài)誤差對靜態(tài)吸合、非線性振動以及優(yōu)化設計等方面的影響。具體研究內(nèi)容和研究成果如下:(一)建立了考慮中性面拉伸和誤差影響的單極板靜電驅動微諧振器的連續(xù)體模型,利用伽遼金法和Newton-Cotes法將系統(tǒng)化簡為單自由度模型,通過靜態(tài)方程求出截面參數(shù)和極板間距對吸合效應的影響。求出了不同截面參數(shù)和極板間距下微諧振器的小幅振動情況。并初次探討截面參數(shù)對大幅值振動的影響。(二)研究了雙極板驅動下微諧振器的靜動態(tài)特性。首先理論推導了無形態(tài)誤差下的微梁系統(tǒng)的分岔情況,通過對比靜態(tài)平衡點、等效固有頻率和相空間流形隨激勵參數(shù)的變化來討論厚度形態(tài)誤差對分岔情況的影響。利用多尺度法求出厚度形態(tài)誤差對系統(tǒng)小幅振動時軟硬特性的影響,并以線性振動為優(yōu)化條件對截面參數(shù)、直流電壓和極板間距的關系進行了優(yōu)化。(三)研究了雙參數(shù)方程控制下考慮厚度形態(tài)誤差的微諧振器。此時微梁會出現(xiàn)關于中性面不對稱的情況。考慮中性面拉伸,中性面彎曲和厚度形態(tài)誤差建立了雙極板靜電驅動微梁諧振器的連續(xù)體模型。對靜電力進行有限元分析,驗證了理論結果的正確性。兩方程參數(shù)改變對微諧振器靜電力、吸合電壓、吸合位置以及安全區(qū)域的影響被討論。通過動態(tài)分析求出了兩個方程參數(shù)滿足系統(tǒng)為線性振動時的關系。并研究了在滿足線性振動條件時微諧振器振動幅值和共振頻率的變化。利用Simulink動力學仿真求出了系統(tǒng)的大幅值振動情況,發(fā)現(xiàn)當振幅增大到一定值后頻響曲線會出現(xiàn)軟硬過度行為,研究了截面參數(shù)變化對過渡點的影響,并給出直流電壓、方程參數(shù)和軟硬過渡點的關系方程式。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義微機電系統(tǒng)（簡稱 MEMS，全稱為 Micro-Electro-MechanicalSystem）指特征尺寸介于微米與毫米之間，集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理、控制和驅動電路于一體的自動性能高的機電耦合微型機械裝置[1]。與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)相比，，MEMS 器件具有體積小重量輕、功耗低、響應快、智能化等優(yōu)點，這使得 MEMS 器件在某些高精度、高靈敏度和微細量檢測等領域具有傳統(tǒng)機械無法替代的地位，備受人們的青睞[2]（圖 1-1 為幾種典型的 MEMS 器件）。

生物等器件利用微電子技術和其它的微加工技術制作在芯片上，并憑借和電路的集成甚至相互間的集成來筑成復雜的微型系統(tǒng)。大力發(fā)展 MEMS 技術是實現(xiàn)低能耗、高功效、低成本生產(chǎn)的重要技術途徑。其中，微諧振器是 MEMS 器件中的一種典型動態(tài)結構，廣泛應用于動態(tài) MEMS 中的諧振式傳感器[3]、射頻器件中的機械諧振天線[4]以及微機械濾波器[5]等器件之中，具有廣闊的市場。微諧振器分為梁式[6]、梳齒狀[7]和圓盤式[8]三種結構，如圖 1-2 所示。其中梁式諧振器因為經(jīng)過諧振處理過的信號穩(wěn)定性和可靠性高低失真率等優(yōu)點而本人們更加關注，靜電驅動微梁機械諧振器更是因為能夠實現(xiàn)高品質(zhì)因子，諧振頻率可高達 1GHz，使它在無線通信系統(tǒng)和高頻濾波器等領域中表現(xiàn)出很強的吸引力。然而，在微尺度下，這類諧振結構存在明顯的多物理場耦合效應[9]（如力、熱、電、磁等交叉耦合）、微尺度效應[10, 11]（材料、力的尺度效應等）以及明顯的結構非線性與靜電力非線性[12, 13]，由于這些因素的存在，導致這些諧振器表現(xiàn)出復雜的靜動力學行為[14, 15](如分岔、混沌)。通過表面加工技術制造的微梁和微膜片等構件，不可避免地受到表面加工誤差的影響。表面加工誤差能改變微結構的幾何形狀，能引起微結構機械性能改變[16]。因此，對諧振器中的微梁元件進行詳細分析，深入探討截面變化對其力學性能的影響，進而提高其工作性能，對于準確掌握其全局動力學行為、開展動力學控制問題研究以及振動優(yōu)化設計具有十分重要的理論意義及工程價值。
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH-39

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本文編號：2692556