高g值環(huán)境典型微結構動態(tài)特性及其測試技術研究.pdf

1、MEMS技術制作的微器件由于尺寸小、功耗低等特點，在國防、航空航天、汽車、生物醫(yī)學及消費電子等方面具有廣泛的應用前景。特別是在國防軍事等領域，各種應用在惡劣環(huán)境下的MEMS器件正成為研究的熱點，如高g值(g為重力加速度)微機械加速度傳感器等。微器件的動態(tài)特性是決定其使用性能的重要指標，其動態(tài)測試技術是考查器件性能指標的重要手段。到目前為止，國內外對于 MEMS 器件在惡劣環(huán)境下的動態(tài)特性及測試技術方面還有許多待研究的課題。 本文

2、以梁-質量塊結構作為典型MEMS微結構，以其在高g值環(huán)境下的動態(tài)特性為研究目標，從理論上建立了高g值環(huán)境下微結構動力學方程，研究了高g值環(huán)境下微結構動態(tài)測試技術并建立了測試裝置，測試了0～10,000g加速度條件下微結構動態(tài)特性。 建立了高g值載荷環(huán)境下微結構動力學方程，采用有限元法進行了分析。結果表明，在外部高g值橫向載荷作用下，當微結構處于線性小變形模型時，外部載荷對其動態(tài)特性沒有明顯影響；而當微結構產生大變形處于幾何非線性

3、狀態(tài)時，在恒載效應及應力剛化模型下，微結構中均會產生一個附加剛度，增強了微結構整體剛度，影響其動態(tài)特性。 研制了高速離心轉臺，實現(xiàn)了0～10,000g穩(wěn)態(tài)高g值加速度實驗環(huán)境。建立了適用于微結構動態(tài)測試的壓電陶瓷底座激勵裝置，研究了該裝置作沖擊激勵時的輸出特性，實現(xiàn)了在高g值加速度環(huán)境下對微結構的沖擊激勵。 由于常用的MEMS光學測試方法難以用到高g值環(huán)境微結構動態(tài)測試中，本文采用在微懸臂梁上集成壓阻敏感元件，通過敏感元

4、件測試微結構受激勵后的動態(tài)響應，解決了高g值加速度環(huán)境下微結構的動態(tài)響應檢測問題。采用了一種濕法和干法結合的體硅微機械加工流程，制作了典型梁-質量塊微結構試件。 采用高g值環(huán)境微結構動態(tài)測試裝置，完成了0～10,000g穩(wěn)態(tài)加速度環(huán)境下典型梁-質量塊微結構處于線性小變形及大變形幾何非線性狀態(tài)時的動態(tài)測試，測得了微結構的諧振頻率等動態(tài)特性。測試結果表明，當?shù)湫土?質量塊微結構受到外部高g值載荷作用，結構處于線性小變形時，微結構動態(tài)