高g值环境典型微结构动态特性及其测试技术研究

论文摘要

MEMS技术制作的微器件由于尺寸小、功耗低等特点，在国防、航空航天、汽车、生物医学及消费电子等方面具有广泛的应用前景。特别是在国防军事等领域，各种应用在恶劣环境下的MEMS器件正成为研究的热点，如高g值（g为重力加速度）微机械加速度传感器等。微器件的动态特性是决定其使用性能的重要指标，其动态测试技术是考查器件性能指标的重要手段。到目前为止，国内外对于MEMS器件在恶劣环境下的动态特性及测试技术方面还有许多待研究的课题。本文以梁-质量块结构作为典型MEMS微结构，以其在高g值环境下的动态特性为研究目标，从理论上建立了高g值环境下微结构动力学方程，研究了高g值环境下微结构动态测试技术并建立了测试装置，测试了0～10，000g加速度条件下微结构动态特性。建立了高g值载荷环境下微结构动力学方程，采用有限元法进行了分析。结果表明，在外部高g值横向载荷作用下，当微结构处于线性小变形模型时，外部载荷对其动态特性没有明显影响；而当微结构产生大变形处于几何非线性状态时，在恒载效应及应力刚化模型下，微结构中均会产生一个附加刚度，增强了微结构整体刚度，影响其动态特性。研制了高速离心转台，实现了0～10，000g稳态高g值加速度实验环境。建立了适用于微结构动态测试的压电陶瓷底座激励装置，研究了该装置作冲击激励时的输出特性，实现了在高g值加速度环境下对微结构的冲击激励。由于常用的MEMS光学测试方法难以用到高g值环境微结构动态测试中，本文采用在微悬臂梁上集成压阻敏感元件，通过敏感元件测试微结构受激励后的动态响应，解决了高g值加速度环境下微结构的动态响应检测问题。采用了一种湿法和干法结合的体硅微机械加工流程，制作了典型梁-质量块微结构试件。采用高g值环境微结构动态测试装置，完成了0～10，000g稳态加速度环境下典型梁-质量块微结构处于线性小变形及大变形几何非线性状态时的动态测试，测得了微结构的谐振频率等动态特性。测试结果表明，当典型梁-质量块微结构受到外部高g值载荷作用，结构处于线性小变形时，微结构动态特性不受外部高g值载荷影响；而当结构中微悬臂梁发生大变形，处于几何非线性状态时，微结构的谐振频率会随着外部高g值加速度载荷的增加而提高。采用应力刚化有限元模型计算了外部高g值载荷对典型微结构动态特性的影响，有限元仿真结果与测试结果具有很好的一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 MEMS动态测试技术
• 1.2.1 光学测试技术
• 1.2.2 内置自测试（Build-In Self-Test，BIST）技术
• 1.3 MEMS动态测试中激励技术
• 1.3.1 外部物理场/能激励方式
• 1.3.2 内部集成激励方式
• 1.3.3 底座激励方式
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 2 高g值环境下微结构动力学模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 结构线性小变形动力学模型
• 2.3 考虑恒载效应的非线性模型
• 2.4 大变形应力刚化几何非线性模型
• 2.5 本章小结
• 3 高g值环境微结构动态测试技术及装置研究
• 3.1 引言
• 3.2 高g值环境微结构动态测试技术研究
• 3.2.1 高g值加速度环境的产生
• 3.2.2 高g值环境下微结构的激励
• 3.2.3 微结构动态响应信号的提取、传输
• 3.3 高g值环境微结构动态测试装置总体技术方案
• 3.4 高速离心转台的设计
• 3.4.1 离心转盘部件设计
• 3.4.2 驱动单元设计
• 3.4.3 离心转盘状态监测
• 3.4.4 数据传输
• 3.4.5 高g值环境微结构动态测试装置总体
• 3.5 高速转台转差率补偿实验研究
• 3.6 激励装置的研制
• 3.6.1 基于压电陶瓷的底座激励装置
• 3.6.2 压电陶瓷冲击激励驱动电源的研制
• 3.7 本章小结
• 4 高g值环境测试用典型微结构的研制
• 4.1 引言
• 4.2 弹性元件的结构设计
• 4.2.1 结构尺寸与应力分布
• 4.2.2 弹性元件的变形与结构灵敏度
• 4.3 结构尺寸设计
• 4.3.1 约束条件
• 4.3.2 参数设计
• 4.4 压阻元件的设计
• 4.4.1 压阻系数选取
• 4.4.2 压阻的尺寸
• 4.4.3 压阻电桥的位置布置及连线
• 4.4.4 试件的输出灵敏度
• 4.5 试件版图设计及微机械加工制作流程
• 4.6 本章小结
• 5 常态下微结构动态测试研究
• 5.1 引言
• 5.2 压电陶瓷冲击激励特性研究
• 5.2.1 压电陶瓷冲击响应时域/频域分析
• 5.2.2 压电陶瓷冲击激励输出特性分析
• 5.3 基于压电陶瓷底座激励的微结构动态特性测试
• 5.3.1 采用比对法的压电微悬臂梁动态测试
• 5.3.2 有限元分析与测试相结合的微结构动态测试法
• 5.4 基于压电陶瓷激励技术的微结构灵敏度测试
• 5.4.1 压电陶瓷冲击激励测试
• 5.4.2 压电陶瓷稳态正弦激励测试
• 5.4.3 采用高速离心转台测试
• 5.5 本章小结
• 6 高g值环境下典型微结构动态特性测试
• 6.1 引言
• 6.2 高g值环境下线形小变形微结构动态特性测试
• 6.3 高g值环境下大变形微结构动态特性测试
• 6.4 测试结果分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢