【摘要】：隨著社會(huì)的飛速發(fā)展以及生活水平的不斷提高,人們對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的需求越來(lái)越大。相比于傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng),MEMS器件具有體積小、重量輕、功耗低、響應(yīng)快、智能化等一系列優(yōu)點(diǎn)。然而,MEMS器件也有它自身不可避免的問(wèn)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(guò)程中,常常會(huì)由于過(guò)度蝕刻或蝕刻不足導(dǎo)致MEMS器件的形狀發(fā)生變化,引起器件的力學(xué)性能改變。此外,隨著MEMS器件的迅速發(fā)展,也會(huì)出現(xiàn)許多需要解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。因此,全面考慮真實(shí)情況對(duì)MEMS器件數(shù)學(xué)模型的影響和深入研究其非線性動(dòng)力學(xué)行為將有助于該器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用拓展。靜電驅(qū)動(dòng)微梁諧振器是MEMS器件中一種典型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)傳感器,主要利用諧振器內(nèi)部機(jī)械諧振特性而工作。然而此類結(jié)構(gòu)存在明顯的剛度非線性和靜電力非線性,同時(shí)加工誤差導(dǎo)致的形狀變化也會(huì)對(duì)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(xué)特性,對(duì)于MEMS器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。本文以兩端固支靜電驅(qū)動(dòng)微梁諧振器為研究對(duì)象,分別利用理論、數(shù)值和有限元方法研究單極板驅(qū)動(dòng)和雙極板驅(qū)動(dòng)下厚度形態(tài)誤差對(duì)靜態(tài)吸合、非線性振動(dòng)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的影響。具體研究?jī)?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(qū)動(dòng)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(jiǎn)為單自由度模型,通過(guò)靜態(tài)方程求出截面參數(shù)和極板間距對(duì)吸合效應(yīng)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(dòng)情況。并初次探討截面參數(shù)對(duì)大幅值振動(dòng)的影響。(二)研究了雙極板驅(qū)動(dòng)下微諧振器的靜動(dòng)態(tài)特性。首先理論推導(dǎo)了無(wú)形態(tài)誤差下的微梁系統(tǒng)的分岔情況,通過(guò)對(duì)比靜態(tài)平衡點(diǎn)、等效固有頻率和相空間流形隨激勵(lì)參數(shù)的變化來(lái)討論厚度形態(tài)誤差對(duì)分岔情況的影響。利用多尺度法求出厚度形態(tài)誤差對(duì)系統(tǒng)小幅振動(dòng)時(shí)軟硬特性的影響,并以線性振動(dòng)為優(yōu)化條件對(duì)截面參數(shù)、直流電壓和極板間距的關(guān)系進(jìn)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(shí)微梁會(huì)出現(xiàn)關(guān)于中性面不對(duì)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(qū)動(dòng)微梁諧振器的連續(xù)體模型。對(duì)靜電力進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證了理論結(jié)果的正確性。兩方程參數(shù)改變對(duì)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(guò)動(dòng)態(tài)分析求出了兩個(gè)方程參數(shù)滿足系統(tǒng)為線性振動(dòng)時(shí)的關(guān)系。并研究了在滿足線性振動(dòng)條件時(shí)微諧振器振動(dòng)幅值和共振頻率的變化。利用Simulink動(dòng)力學(xué)仿真求出了系統(tǒng)的大幅值振動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)振幅增大到一定值后頻響曲線會(huì)出現(xiàn)軟硬過(guò)度行為,研究了截面參數(shù)變化對(duì)過(guò)渡點(diǎn)的影響,并給出直流電壓、方程參數(shù)和軟硬過(guò)渡點(diǎn)的關(guān)系方程式。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(hào)處理、控制和驅(qū)動(dòng)電路于一體的自動(dòng)性能高的機(jī)電耦合微型機(jī)械裝置[1]。與傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)相比，，MEMS 器件具有體積小重量輕、功耗低、響應(yīng)快、智能化等優(yōu)點(diǎn)，這使得 MEMS 器件在某些高精度、高靈敏度和微細(xì)量檢測(cè)等領(lǐng)域具有傳統(tǒng)機(jī)械無(wú)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(shù)和其它的微加工技術(shù)制作在芯片上，并憑借和電路的集成甚至相互間的集成來(lái)筑成復(fù)雜的微型系統(tǒng)。大力發(fā)展 MEMS 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低能耗、高功效、低成本生產(chǎn)的重要技術(shù)途徑。其中，微諧振器是 MEMS 器件中的一種典型動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài) MEMS 中的諧振式傳感器[3]、射頻器件中的機(jī)械諧振天線[4]以及微機(jī)械濾波器[5]等器件之中，具有廣闊的市場(chǎng)。微諧振器分為梁式[6]、梳齒狀[7]和圓盤式[8]三種結(jié)構(gòu)，如圖 1-2 所示。其中梁式諧振器因?yàn)榻?jīng)過(guò)諧振處理過(guò)的信號(hào)穩(wěn)定性和可靠性高低失真率等優(yōu)點(diǎn)而本人們更加關(guān)注，靜電驅(qū)動(dòng)微梁機(jī)械諧振器更是因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)因子，諧振頻率可高達(dá) 1GHz，使它在無(wú)線通信系統(tǒng)和高頻濾波器等領(lǐng)域中表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸引力。然而，在微尺度下，這類諧振結(jié)構(gòu)存在明顯的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)[9]（如力、熱、電、磁等交叉耦合）、微尺度效應(yīng)[10, 11]（材料、力的尺度效應(yīng)等）以及明顯的結(jié)構(gòu)非線性與靜電力非線性[12, 13]，由于這些因素的存在，導(dǎo)致這些諧振器表現(xiàn)出復(fù)雜的靜動(dòng)力學(xué)行為[14, 15](如分岔、混沌)。通過(guò)表面加工技術(shù)制造的微梁和微膜片等構(gòu)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(jié)構(gòu)的幾何形狀，能引起微結(jié)構(gòu)機(jī)械性能改變[16]。因此，對(duì)諧振器中的微梁元件進(jìn)行詳細(xì)分析，深入探討截面變化對(duì)其力學(xué)性能的影響，進(jìn)而提高其工作性能，對(duì)于準(zhǔn)確掌握其全局動(dòng)力學(xué)行為、開展動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題研究以及振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的理論意義及工程價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH-39

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本文編號(hào)：2692556