悬臂梁式微开关的动态分析研究

论文摘要

静电力作为微电子机械系统(MEMS)中一种重要的驱动力,广泛应用于微镜、微钳、微开关等微器件中。尽管部分静电驱动MEMS产品已经从实验室走向商业化,但相关设计理论和设计工具尚不能满足设计需要,实际设计中仍然以反复试验方法为主,导致设计效率低,制约了产品的研发速度和产业化水平。本文以电磁学、结构动力学、有限元方法等为理论基础,用计算机仿真作为辅助工具,对静电驱动悬臂梁式微开关进行动态特性分析及有限元仿真,研究微开关在静电力作用下的动态响应和吸合现象,为微开关的设计和优化提供参考。论文中针对静电驱动悬臂梁式微开关的集中参数模型和分布参数模型,分别给出了求解相应动力学方程的数值方法,并利用MATLAB实现系统动态阶跃响应的数值仿真。利用ANSYS软件计算了微开关的静态位移特性和固有振动特性。通过ANSYS模拟,研究了静电力作用下微开关的动态响应特性,对比了动态和静态两种临界电压,分析了微开关动态特性和静态特性的不同,以及动态吸合电压和吸合时间的关系,讨论了微开关结构参数的选择对其性能的影响。分析表明,动态响应周期随驱动电压的增大而增大;动态临界电压小于静态临界电压;动态吸合电压并不是唯一的,随着动态吸合电压的增大,吸合时间逐渐变小;由于空气阻尼的存在和静电力的非线性,系统的振动频率相对于其固有频率向下发生漂移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微电子机械系统概述
• 1.1.1 微电子机械系统简介
• 1.1.2 与MEMS 技术相关的基础研究
• 1.1.3 MEMS 典型器件和系统
• 1.2 微机械开关概述
• 1.2.1 微机械开关简介
• 1.2.2 微开关的驱动方式与结构类型
• 1.2.3 微开关的应用前景
• 1.3 研究的目的与意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 微开关动态特性的数值求解
• 2.1 悬臂梁式微开关的基本结构及原理
• 2.2 集中参数模型及数值求解
• 2.2.1 集中参数模型
• 2.2.2 变步长的Runge-Kutta-Fehlberg 算法
• 2.2.3 系统的动态阶跃响应
• 2.3 分布参数模型及数值求解
• 2.3.1 分布参数模型
• 2.3.2 模态叠加法
• 2.3.3 数值分析方法
• 2.4 小结
• 第三章 微开关动态特性的有限元仿真
• 3.1 有限元法简介
• 3.2 ANSYS 简介
• 3.3 静力学分析
• 3.3.1 静力学分析方法
• 3.3.2 静态位移特性
• 3.4 模态分析
• 3.5 动力学分析
• 3.5.1 动力学分析方法
• 3.5.2 微开关的动态响应
• 3.5.3 动态吸合电压与吸合时间的关系
• 3.6 小结
• 第四章 微开关结构参数选择对其性能的影响
• 4.1 上下极板初始间距对开关性能的影响
• 4.2 极板有效面积对开关性能的影响
• 4.3 梁的长度对开关性能的影响
• 4.4 梁的厚度对开关性能的影响
• 4.5 梁的材料对开关性能的影响
• 4.6 梁的形状对开关固有频率的影响
• 4.6.1 梁的长度与固有频率的关系
• 4.6.2 梁的厚度与固有频率的关系
• 4.7 设计实例
• 4.8 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表论文