溫度及加工誤差對梳狀微諧振器動力學性能影響的研究.pdf

1、MEMS技術的快速發(fā)展對人類的生產和科學技術進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電器件，它不僅可以完成機械能與其他能量之間復雜的相互轉換，而且還具有設計靈活、結構簡單和能產生較大的振動幅值等優(yōu)點，在航空測試、汽車、醫(yī)療檢測等各個領域得到了廣泛的應用，所以對梳狀微諧振器的研究和開發(fā)是MEMS研究的熱點之一。

2、r>　　梳狀微諧振器的工作模態(tài)為沿驅動方向振動，驅動方向模態(tài)對應的固有頻率是它的諧振頻率。諧振頻率和品質因子是設計微諧振器時兩個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用場合。微諧振器梳齒加工誤差、偏置電壓引起的預應力、各種結構參數(shù)的變化及溫度應力等諸多參數(shù)都會對結構諧振頻率及驅動模態(tài)出現(xiàn)的階次產生影響，全面地揭示這些參數(shù)對微諧振器驅動模態(tài)和諧振頻率的影響，對結構的設計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、細致的分析。
　　應用有限元軟件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應力，研究預應力作用下梳齒偏移、初始交疊長度等對諧振頻率和驅動模態(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，但是會影響微諧振器的第一階固有頻率，此階模態(tài)可做扭轉使用。
　　分析了支撐梁長

4、度、梳齒長度和個數(shù)對微諧振器動力學特性的影響，支撐梁長度和梳齒長度的改變對微諧振器驅動模態(tài)的階次及諧振頻率大小均有影響，而梳齒個數(shù)只影響其諧振頻率大小，通過改變梳齒的個數(shù)可實現(xiàn)對諧振頻率的微調；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影響微諧振器所受的空氣阻尼力和結構熱彈性阻尼力，其產生的溫度應力還會引起微諧振器剛度的改變，進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構阻尼來自結構運動過程

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)結構的對稱性建立了四分之一梳狀微諧振器的力學模型，推導了微諧振器等效熱彈性阻尼系數(shù)的計算公式，結合有限元計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因子有較大的影響，溫度升高，諧振頻率和品質因子將會隨之減小。本研究為微諧振器的溫度補償提供了理論指導，為研究熱彈性阻尼對微