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MEMS器件的系统动力学建模与分析

李刚  
【摘要】: 微机电系统(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)是目前一个新兴的学科交叉领域,具有非常广阔的应用前景,是未来世界科学的研究重点。最近几年,MEMS的发展非常迅速,随着MEMS器件越来越复杂,MEMS器件的动力学问题也随之复杂化,其中更是涉及到粘附效应问题。 本论文主要针对两种典型MEMS器件(悬臂梁式微电子加速度计和振动轮式微陀螺仪)建立其系统动力学模型,分析其动力学特性,并以悬臂梁式微电子加速度计为例,考虑其粘附效应和尺寸效应,分析产生粘附效应的物理机理以及尺寸设计对粘附的影响。 首先简要分析了一般微电子加速度计的工作原理,以叉指式微电子加速度计为例分析其工作原理,检测系统及静电反馈系统。建立了悬臂梁式微电子加速度计的实体模型,采用有限元分析软件ANSYS对其进行模态分析、瞬态响应分析以及静电-结构耦合分析,考虑不同设计尺寸条件下器件的灵敏度特性,在瞬时激励下的位移和应力响应情况,并分析了静电力对器件性能的影响。 其次从理论上分析了使MEMS器件产生粘附现象的因素,并分别讨论了各种力作用下使构件产生粘附的物理机理,以微悬臂梁加速度计为例,考虑其在表面张力作用下发生粘附现象时结构尺寸的设计,根据造成粘附现象所需条件推导出悬臂梁结构参数设计公式。 最后由典型的振动轮式微陀螺的动力学模型得到实际振动轮式微陀螺的简化模型,并设计了一种典型的振动轮式微陀螺,利用简化动力学模型推导出典型微陀螺的运动微分方程,通过MATLAB计算得到驱动振动运动曲线、检测振动运动曲线及外界激励角加速度不变时,检测振动响应幅值随外界激励角速度变化曲线。并建立了结构的有限元模型,对其进行了模态分析。 通过对MEMS器件系统动力学模型的建立与分析,加深了对影响器件性能各因素的理解,尤其是造成粘附现象的各种力,为今后微器件的设计制造提供了理论参考。


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