溫度及加工誤差對梳狀微諧振器動(dòng)力學(xué)性能影響的研究.pdf

1、MEMS技術(shù)的快速發(fā)展對人類的生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步帶來了很大的影響。其中，微諧振器是MEMS中最重要的一種器件，既為精密準(zhǔn)確的測量提供了許多新方法，也為研究分析各種物理現(xiàn)象創(chuàng)造了條件。梳狀微諧振器是一種典型的微機(jī)電器件，它不僅可以完成機(jī)械能與其他能量之間復(fù)雜的相互轉(zhuǎn)換，而且還具有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡單和能產(chǎn)生較大的振動(dòng)幅值等優(yōu)點(diǎn)，在航空測試、汽車、醫(yī)療檢測等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，所以對梳狀微諧振器的研究和開發(fā)是MEMS研究的熱點(diǎn)之一。

2、r>　　梳狀微諧振器的工作模態(tài)為沿驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方向模態(tài)對應(yīng)的固有頻率是它的諧振頻率。諧振頻率和品質(zhì)因子是設(shè)計(jì)微諧振器時(shí)兩個(gè)最重要也是最基本的參數(shù)，諧振頻率決定了微諧振器的應(yīng)用場合。微諧振器梳齒加工誤差、偏置電壓引起的預(yù)應(yīng)力、各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化及溫度應(yīng)力等諸多參數(shù)都會(huì)對結(jié)構(gòu)諧振頻率及驅(qū)動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)的階次產(chǎn)生影響，全面地揭示這些參數(shù)對微諧振器驅(qū)動(dòng)模態(tài)和諧振頻率的影響，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能的提升具有重要意義，本文圍繞這些參數(shù)的影響展開了全面

3、細(xì)致的分析。
　　應(yīng)用有限元軟件ANSYS建立了梳狀微諧振器的有限元模型，研究了梳齒偏移、初始交疊長度及偏置電壓對電場分布規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)梳齒偏移對靜電場的拐角和邊緣效應(yīng)有明顯的影響。將偏置電壓引起的靜電力作為載荷加到微諧振器上獲得預(yù)應(yīng)力，研究預(yù)應(yīng)力作用下梳齒偏移、初始交疊長度等對諧振頻率和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)梳齒偏移對微諧振器的諧振頻率沒有影響，但是會(huì)影響微諧振器的第一階固有頻率，此階模態(tài)可做扭轉(zhuǎn)使用。
　　分析了支撐梁長

4、度、梳齒長度和個(gè)數(shù)對微諧振器動(dòng)力學(xué)特性的影響，支撐梁長度和梳齒長度的改變對微諧振器驅(qū)動(dòng)模態(tài)的階次及諧振頻率大小均有影響，而梳齒個(gè)數(shù)只影響其諧振頻率大小，通過改變梳齒的個(gè)數(shù)可實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的微調(diào)；諧振頻率受支撐梁長度的影響最為顯著。
　　工作環(huán)境溫度的改變不僅會(huì)影響微諧振器所受的空氣阻尼力和結(jié)構(gòu)熱彈性阻尼力，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力還會(huì)引起微諧振器剛度的改變，進(jìn)而影響微器件的使用精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微諧振器中的熱彈性結(jié)構(gòu)阻尼來自結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程

5、中的能量耗散，熱彈性阻尼是系統(tǒng)所固有的能量耗散方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性建立了四分之一梳狀微諧振器的力學(xué)模型，推導(dǎo)了微諧振器等效熱彈性阻尼系數(shù)的計(jì)算公式，結(jié)合有限元計(jì)算得到的各溫度下微諧振器的諧振頻率及微梁的固有頻率，深入研究了不同溫度工況下諧振頻率和品質(zhì)因子的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)空氣阻尼和熱彈性阻尼對微諧振器諧振頻率以及品質(zhì)因子有較大的影響，溫度升高，諧振頻率和品質(zhì)因子將會(huì)隨之減小。本研究為微諧振器的溫度補(bǔ)償提供了理論指導(dǎo)，為研究熱彈性阻尼對微