靜電驅(qū)動(dòng)微橋非線性動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和人們生活需求的不斷提高，微機(jī)電系統(tǒng)憑借自身微、精、準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，逐步替代宏觀系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，在愈來愈多的領(lǐng)域得到廣泛重用。為了微機(jī)電系統(tǒng)能夠又快又穩(wěn)的發(fā)展，必須要有扎實(shí)科學(xué)的理論知識(shí)儲(chǔ)備。
　　當(dāng)前階段，針對(duì)應(yīng)用最廣泛的靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)的研究，主要集中在理想設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析和動(dòng)力學(xué)特性分析上，忽略了“犧牲層腐蝕”工藝的固有缺陷。然而，為了確保微系統(tǒng)的工作性能，工藝缺陷對(duì)微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、動(dòng)

2、力學(xué)特性及非線性行為的影響不容忽略。本文針對(duì)靜電致動(dòng)微橋系統(tǒng)的工藝缺陷問題，以真空封裝的理想微橋、微拱和微緩沖結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)它們的靜態(tài)吸合、動(dòng)力學(xué)及其非線性行為進(jìn)行理論分析，驗(yàn)證本文提出的“兩側(cè)加壓雙側(cè)翹曲”結(jié)構(gòu)改善含工藝缺陷微橋工作性能的可行性。
　　在兩端固支微梁橫向自由振動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，考慮慣性項(xiàng)、阻尼項(xiàng)、偏置電壓提供的靜電力激勵(lì)項(xiàng)以及幾何變形引起的非線性項(xiàng)，建立兩側(cè)加壓靜電致動(dòng)微橋耦合系統(tǒng)的橫向振動(dòng)微分方程。工藝缺陷導(dǎo)

3、致的幾何變形以及為了改善微橋工作性能所設(shè)計(jì)的緩沖結(jié)構(gòu)，在數(shù)學(xué)模型中均表現(xiàn)為微橋的初始形函數(shù)發(fā)生改變。應(yīng)用伽遼金法將離散微橋的連續(xù)體模型，得到可行的單自由度模型，對(duì)其進(jìn)行多尺度攝動(dòng)分析得到微橋系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)方程。然后，分析不同初始形態(tài)微橋固有頻率與直流偏置電壓的關(guān)系、微橋的共振頻率與初始形態(tài)控制參數(shù)的關(guān)系、微橋的幅頻響應(yīng)與初始形態(tài)控制參數(shù)的關(guān)系。精簡(jiǎn)出四種有代表性的微橋結(jié)構(gòu)，分析其幅頻響應(yīng)關(guān)系，得到結(jié)論:微橋結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“軟非線性”，共振頻率

4、漂移至相對(duì)更小的數(shù)值范圍;雙邊褶皺結(jié)構(gòu)削弱“軟非線性”的功能性強(qiáng)于單邊褶皺結(jié)構(gòu)。而后，以理想微橋、微拱、雙邊褶皺緩沖結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析拱高和板間隙、幾何尺寸、直流偏置電壓和交流激勵(lì)電壓幅值等主要控制參數(shù)對(duì)微梁動(dòng)力學(xué)特性的影響，得到結(jié)論:對(duì)于微拱結(jié)構(gòu)，拱高增大或板間隙減小，其共振頻率減小，共振幅值增大，“軟化”效應(yīng)增強(qiáng);對(duì)于幾何尺寸不同的微梁，長(zhǎng)梁的共振頻率較小，共振幅值和非線性行為變化不明顯，寬梁的共振幅值較大，共振頻率和非線性行為變