支撐梁有誤差的力平衡式微加速度計(jì)性能研究.pdf

1、基于靜電驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)技術(shù)的力平衡式微加速度計(jì)具有線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于微加工工藝的不完善，微加速度計(jì)的實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間總是存在誤差，比如支撐梁尺寸誤差、梳齒間隙誤差、檢測(cè)質(zhì)量塊質(zhì)心偏移等。支撐梁誤差的存在將導(dǎo)致支撐梁的抗彎剛度不對(duì)稱，進(jìn)而使得檢測(cè)質(zhì)量塊在沿靜電力的方向作橫向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣的兩自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)影響到力平衡式微加速度計(jì)的性能。本文提出這個(gè)新的研究課題，并對(duì)此展開研究。

2、>　　 論文的主要研究工作和結(jié)論如下：
　　 (1)以雙端固支梁式的平板電容系統(tǒng)、雙端固支梁式和雙折疊梁式的力平衡式微加速度計(jì)三種常見微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)為例，分析了它們?cè)谥瘟捍嬖谡`差的情況下的受力及變形，推出了三種結(jié)構(gòu)抵抗外力作用的等效剛度計(jì)算式。研究表明：三種結(jié)構(gòu)都是以二維等效剛度矩陣抵抗外力作用，只是對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，等效剛度矩陣的元素計(jì)算式不同。等效剛度的計(jì)算為分析靜電MEMS的機(jī)電耦合特性提供了必備條件。

3、>　　 (2)靜電MEMS產(chǎn)品的性能與系統(tǒng)中的機(jī)電耦合特性具有密切的關(guān)系。為了研究支撐梁誤差對(duì)機(jī)電耦合特性的影響，本文建立了單邊平板電容系統(tǒng)和雙邊平板電容系統(tǒng)的兩自由度機(jī)電耦合宏模型，分析了兩種系統(tǒng)的機(jī)電耦合特性。對(duì)于單邊平板電容系統(tǒng)，本文分析了靜電剛度效應(yīng)，推導(dǎo)了靜電剛度矩陣；分析了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓響應(yīng)，運(yùn)用優(yōu)化理論計(jì)算了靜態(tài)吸附電壓，其結(jié)果得到了有限元仿真方法的驗(yàn)證；除此之外，還分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)。研究表明：如果忽略系統(tǒng)中的阻

4、尼影響，系統(tǒng)隨加載電壓的不同表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式；運(yùn)用優(yōu)化理論，計(jì)算出了動(dòng)態(tài)吸附電壓。對(duì)于雙邊平板電容系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓響應(yīng)，并計(jì)算出了靜態(tài)吸附電壓。通過這些方面的研究，為力平衡式微加速度計(jì)的性能分析奠定了理論和方法基礎(chǔ)。
　　 (3)利用本文所建立的平板電容系統(tǒng)作兩自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)電耦合理論和分析方法，建立了力平衡式微加速度計(jì)作兩自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)電耦合分析模型，分析了支撐梁誤差對(duì)微加速度計(jì)的性能影響，包括靈敏度