横向梳状硅微静电谐振器机械性能分析与实验研究

论文摘要

横向梳状硅微静电谐振器是最早开发和使用的微型机电系统（MEMS）元器件之一，它既可作为能量转换装置，实现电能和机械能的转换，又可成为执行机构，担负系统信息的响应功能。本文以能产生大位移的横向梳状硅微谐振器为研究对象，对弓型梁和多折叠梁谐振器的理论建模、设计方法和实验测试等方面进行了深入研究。在综合已有研究成果的基础上，首先探讨了谐振器在正弦交流电压驱动下的响应情况。分析表明，谐振器在大直流偏置电压和无直流偏置电压作用下都可发生谐振，但是二者间存在差别。在大直流偏置电压作用下，其谐振频率等于正弦驱动电压频率；而在无直流偏置电压情况下，谐振频率则等于驱动电压频率的一半。结合谐振器的特点，提出了对称变换理论。在此基础上，为达到大位移输出的目的，综合电磁学、力学等知识，建立了弓型梁和多折叠梁谐振器的力学性能分析模型，讨论了结构参数对其机械性能的影响，并利用Fedder的面硅弓型梁谐振器实验结果，验证了所得模型的正确性。同时对采用体硅工艺加工的上述谐振器进行了实验研究，为大位移输出谐振器的设计提供依据。为更好地对各类谐振器的机械性能作出客观的比较和判断，根据表面硅和体硅加工工艺的不同要求，应用各类谐振器的力学模型，分别设计了多种直脚型、蟹脚型、弓型梁和多折叠梁谐振器。并对所设计的各类谐振器的谐振频率以及特定外力作用下最大静态位移和最大应力进行了ANSYS模拟分析。通过对ANSYS模拟分析结果和所建模型的计算结果的比较研究，发现二者非常吻合。分析结果还表明，多折叠梁谐振器可以有效地增大位移输出，降低谐振器的应力。在相同外力作用下，相同特征尺寸的多折叠梁谐振器的位移大于弓型梁谐振器，而弓型梁谐振器的位移大于直脚型谐振器。利用光学显微镜+CCD法，对所设计各谐振器的性能进行了测试，测出了谐振频率、品质因子和谐振振幅等参数，并绘制出谐振振幅对于电压的特性曲线。实测结果显示：谐振频率稳定性较好；但品质因子和谐振振幅受加工条件和工作环境的影响较大，即使对同一谐振器，在不同电压激励下，其品质因子和谐振振幅也存在较大差别。通过实验，研究了谐振器在无直流偏置电压作用下的性能，并与有直流偏置电压作用下的实验结果相对比。实验表明，所设计的多折叠梁谐振器在不加直流偏置电压条件下，20V交流电压驱动即可产生7.5μm的振幅；而在相同的直流偏置电压和交流驱动电压作用下，多折叠梁谐振器的振幅约5倍于相同特征长度的直脚型谐振器，实现了大位移输出的设计目标。理论研究、有限元ANSYS模拟分析和实测结果的对比分析表明，谐振器谐振频率的理论值、ANSYS模拟值和实测结果具有很好的一致性，验证了理论模型的正确性。通过比较品质因子与振幅电压比的理论模型及体硅谐振器的实验结果，导出了体硅谐振器品质因子和振幅电压比的半经验公式，经与多类体硅谐振器的实验验证，该公式与实验结果的吻合程度远高于原理论计算模型。此外，以所建立模型为基础，利用C语言和TCL／TK语言，开发出界面友好的微谐振器设计分析程序，该程序已被成功应用于IMEE V1.0版软件系统中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 文中主要符号列表
• 第一章 绪论
• 1.1 微型机电系统
• 1.1.1 微型机电系统特点
• 1.1.2 发展现状及研究意义
• 1.2 横向梳状硅微静电谐振器
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 国内外研究概况
• 1.2.3 研究中急待解决的问题
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 横向梳状硅微静电谐振器建模的基础理论
• 2.1 微谐振器所受静电力分析
• 2.1.1 恒定电压作用下的静电力
• 2.1.2 正弦交流电压作用下的静电力
• 2.2 微谐振器所受空气阻尼分析
• 2.2.1 常用的阻尼模型
• 2.2.2 微谐振器所受阻尼分析
• 2.3 微谐振器在正弦驱动电压下的谐响应分析
• 2.3.1 微谐振器的动力学微分方程
• 2.3.2 正弦驱动电压作用下的运动方程求解
• 2.3.3 系统谐响应分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 复杂支撑梁硅微静电谐振器建模及性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于对称变换的方法
• 3.2.1 对称变换方法提出
• 3.2.2 对称变换方法的实例验证
• 3.2.3 对称变换方法小结
• 3.3 基于对称变换理论的弓型梁谐振器建模
• 3.3.1 谐振器结构简介
• 3.3.2 各单元模型的建立
• 3.3.3 谐振器力学模型
• 3.3.4 谐振器谐振频率
• 3.3.5 与文献[49]中实验情况对比
• 3.3.6 谐振器性能分析
• 3.4 基于对称变换理论的多折叠梁谐振器建模
• 3.4.1 谐振器结构简介
• 3.4.2 梁单元模型的建立
• 3.4.3 谐振器力学模型
• 3.4.4 谐振器谐振频率
• 3.4.5 谐振器性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 微谐振器的加工工艺及设计
• 4.1 表面硅微加工工艺
• 4.1.1 表面硅微加工工艺流程
• 4.1.2 表面硅微加工工艺加工误差分析
• 4.2 体硅微加工工艺
• 4.2.1 体硅微加工工艺流程
• 4.2.2 体硅微加工工艺的加工误差分析
• 4.3 微谐振器设计中相关问题探讨
• 4.3.1 谐振器标尺的设计
• 4.3.2 新型防撞块的设计和改进
• 4.4 表面硅微加工工艺的谐振器设计
• 4.5 体硅微加工工艺的谐振器设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 微谐振器性能的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 微谐振器的ANSYS性能模拟与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 微谐振器实验研究及模型验证
• 6.1 实验装置及测试原理
• 6.2 表面硅微谐振器实验
• 6.2.1 幅频特性实验
• 6.2.2 振幅——电压关系实验
• 6.3 体硅弹性模量的谐振法测定
• 6.4 体硅微谐振器性能实验
• 6.4.1 幅频特性测定实验
• 6.4.2 振幅电压比测定实验
• 6.5 体硅谐振器品质因子和振幅电压比讨论
• 6.5.1 半经验公式建立依据
• 6.5.2 半经验公式的建立
• 6.5.3 半经验公式的验证
• 6.6 本章小结
• 第七章 微谐振器设计模块在IMEE软件系统中应用
• 7.1 引言
• 7.2 微谐振器设计模块及编程
• 7.2.1 微谐振器设计模块框架设计
• 7.2.2 微谐振器设计模块程序设计
• 7.3 微谐振器设计实例
• 7.4 本章小结
• 第八章 主要结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参与完成的项目
• 致谢