多晶硅梁的加速疲劳实验

MEMS器件在循环振动载荷作用下,器件可能会发生断裂、软化等疲劳失效现象.本文中选取了以表面工艺加工的多晶硅结构—固支梁与悬臂梁作为实验研究对象,并在微结构梁上利用光刻的方法对两个被测结构分别引入了凹槽和切口两种缺陷形式,并在其上加载循环静电载荷,进行加速疲劳实验.实验利用激光多普勒测振仪测量谐振频率的变化,来表征微梁结构等效弹性模量的改变.实验结果表明,无论固支梁或者悬臂梁,其谐振频率都发生了明显的偏移:固支梁结构初始频率为170.749 kHz,实验后谐振频率增大,偏移量达到15.618 kHz,其相对变化量为9.15%,而悬臂梁结构初始频率为112.357 kHz,实验后谐振频率变小,减小量达到1.342 kHz,相对偏移为1.34%,器件性能发生明显退化.     

利用Linnik显微干涉技术测量微结构动态特性

为了实现微结构的离面运动、幅频特性和谐振频率等动态参数的测量,设计开发了微结构动态测试系统,采用Linnik显微干涉结构,具有放大倍率高和工作距离长的特点.首先,系统利用频闪成像技术、五步相移方法和分割线去包裹算法测量微结构离面运动,然后,再通过扫频技术得到微结构的幅频特性和谐振频率.利用该测试系统对硅微悬臂梁的离面振动和幅频特性进行了测试,实验结果表明:硅微悬臂梁的谐振频率为13.03kHz,离面振动测量重复性误差小于10nm.系统具有较好的测量可重复性和较高的测量精度,能满足微结构动态特性测量对测试系统的性能要求.     

用于气体检测的热激励MEMS悬臂梁谐振器

笔者设计了一种电热激励压阻检测的微悬臂梁谐振器．悬臂梁上的敏感层吸附特定的气体后,可以通过测量质量变化所导致的悬臂梁谐振频率的变化而得出待测气体的浓度．该谐振器的加工基于SOI硅片和ICP刻蚀技术．通过有限元仿真得出了悬臂梁的应力温度分布曲线,从而证实了该方案可以提供比普通结构更适宜于气体敏感材料工作的温度分布．从理论和实验上分析了谐振器在不同激励电压下的频率响应．实验结果表明,该谐振器具有较高的谐振频率和品质因数,其激励电压与振动幅值成线性关系．     

压电驱动MEMS光学扫描镜的研制

为实现高速大角度光学扫描,研制了一种新型压电陶瓷驱动MEMS光学扫描镜．将两块压电陶瓷分别放置在扫描镜背面两侧作为驱动,通过简单的扭转梁结构把两块压电陶瓷沿相反方向上下振动转换成镜片的扭转振动．采用MEMS体硅工艺及微装配技术,制备出器件样品．经测试,大气压下,研制出的扫描镜扫描谐振频率可达21．9kHz,施加200V交流电,谐振态的光学扫描角度为21．8°．测试数据表明该器件适用于激光打印、务形码扫描及微型激光投影显示等领域．     

新型谐振式硅微机械加速度计

制作出一种新型结构的谐振式硅微加速度计，其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难、采用双端固定音叉作为谐振器，在加速度作用下，质量块的惯性力通过悬臂梁施加于音叉轴向，利用音叉谐振频率的变化测量加速度．在每个音叉臂上制作了梳齿结构，用梳齿间的静电力激励音叉产生谐振，并利用其构成的电容检测其振动频率．该加速度计采用体硅工艺制作，文中给出了工艺流程、用有限元方法仿真估算，得到传感器的灵敏度约为2／gHz．     

考虑边缘效应的MEMS梳齿谐振器的静动力学特性分析

MEMS梳齿谐振器是一种高精度微机械电子元件,广泛应用在航天航空、精密测量、国防军事、通讯等领域,其静动力学问题受到研究人员的广泛关注。静电激励力是研究MEMS动力学的基础,但由于梳齿高纵深比的结构特性,其静电力存在很强的边缘效应现象。采用最小二乘法拟合了在边缘效应基础上梳齿结构静电力的模型,分析了边缘效应对MEMS梳齿谐振器动力学行为的影响。探讨了梳齿微谐振器的横向稳定性、谐振频率、软硬特性的区分标准以及线性过渡现象的参数表达式。结果表明:边缘效应模型导致系统稳定区间减小,经典模型高估了微梳齿谐振器的振动稳定性;边缘效应会导致系统固有频率的减小,软化行为增强,线性过渡电压减小;随着梳齿初始间距的增大,系统的线性过渡下的最优设计电压逐渐变大,对应谐振频率逐渐减小。     

基于亚像素综合定位匹配算法的MEMS平面运动测量

动态测试对MEMS的设计、制造和可靠性具有非常重要的意义．提出了快速高精度的综合亚像素定位匹配算法，应用于MEMS平面运动测量．该综合算法把标准化协方差相关法、亚像素步长相关法、曲面拟合法、序惯相似性检测算法和单纯形法有机结合，综合运用各算法的优点，达到了提高亚像素定位速度和精度的目的．通过位移测量实验和对硅微陀螺仪质量块面内振动及谐振频率的测量，验证了该综合算法的可行性和有效性．     

纵弯转换超声振动雾化系统的振动特性与设计研究

提出了由纵向振动系统与弯曲振动圆盘组成的纵弯转换超声振动雾化系统的新型结构。通过理论分析和有限元分析,揭示了由换能器、变幅杆与工具组成的振动系统的各种谐振状态特性, 研究了系统的谐振设计方法。分析表明：新型雾化振动系统工作于负载谐振模式,其谐振频率主要取决于纵振动系统的结构,弯曲振动薄圆盘相当于系统的负载。当弯曲振动圆盘谐振频率与系统的谐振频率越接近时,系统的输出振幅越大。通过实验证明了理论研究正确性。     

扭摆型谐振式磁强计及其激振与测控系统设计

研究了基于扭摆式结构的谐振式磁强计及其激振与测控系统，设计了扭摆式谐振磁强计的基本结构，其对称式结构能够抑制加速度对磁场检测的干扰．设计了L形梁来释放加工过程中的应力，推导了开环系统和闭环系统的传递函数，通过初步参数设计，对扭矩随线圈匝数的变化进行了仿真，并介绍了基于对被测信号进行调制和同步解调的电容检测原理．结果表明，该谐振式MEMS磁强计灵敏度和分辨率高，多匝线圈方案使器件灵敏度大幅度提高，10匝线圈时的扭矩是单匝线圈的8倍，磁强计分辨率优于30nT．     

玻璃振动模压中变幅杆高温模态分析及实验研究

为研究应用于光学元件的超声振动模压中变幅杆的高温振动特性,基于纵振波动方程设计所需频率的超声变幅杆,利用Creo软件建立其参数化模型。考虑变幅杆高温下的材料特性变化,结合实验所得数据对高温下的变幅杆进行模态分析,得到其在高温下的谐振频率。分析研究表明,变幅杆谐振频率随着温度的升高而降低。为提升变幅杆高温的下频率稳定性,通过有限元软件对其进行了结构优化设计。按照优化后的尺寸加工出变幅杆,通过实验检测其谐振频率,结果表明,在高温下优化后变幅杆的谐振频率仍稳定在设定频率附近。     

Research on Resonance Mechanism of Arc-ultrasonic

1. IntroductionUltrasonic treatment of the solidifying metal is apromising method of improving the quality of fusionweldingli~31. Dtherent effects of ultrasonic are behind its use in enhancing crystallization processes.Abramov['] attributed these effects to two physicalmechanisms of acoustic cavitation -- degassing andseeding of crystallization. Many literatures[5-8] revealed both refinement of grain structure and degassing Of the melt can be obtained in most metals if avibration of sufficien…     

Accurate velocity measurements of AFM-cantilever vibrations by Doppler interferometry

Doppler velocimetry is widely used in the measurement of nanometre resonance vibrations of micro-electromechanical systems (MEMS). It has excellent sensitivity and precision, but typical engineering applications do not require traceability of these velocity measurements to the SI system. While Doppler velocimetry is, in principle, easy to make traceable to the velocity of light, in practice a frequency-to-voltage conversion in common commercial instruments breaks this traceability unless calibrated. Typically, though, calibration is performed at a much lower frequency than those typical of MEMS devices, without the guarantee that the calibration is applicable in this higher frequency regime.

We present a method of traceable measurement of velocity in terms of the velocity of light, valid for the range of frequency and nanometre amplitudes typical of MEMS devices driven to resonance vibration. This is achieved by analysis of sideband amplitudes in the interference spectrum before demodulation of the Doppler signal. These sideband amplitudes can conveniently be measured using a benchtop spectrum analyser, a piece of widely available electrical test equipment. We illustrate the method with measurements on individual AFM cantilevers. In combination with cantilever calibration methods based on MEMS devices this method enables traceable calibration of those cantilevers employed for the measurement of pico- and nanonewton forces between individual biomolecules.     

Eigenvalue Analysis of MEMS Components with Multi-defect using Infinite Element Method Algorithm

Manufacturing defects in the membrane of MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) structures have a significant effect on the sensitivity and working range of the device. Thus, in optimizing the design of MEMS devices, it is essential that the effects of membrane defects (e.g., cracks) can be predicted in advance. Accordingly, this study proposes the detailed two-dimensional Infinite Element Method (IEM) formulation with Infinite Element (IE)-Finite Element (FE) coupling scheme for analyzing the out-of-plane vibration of isotropic MEMS membranes containing one or more tip cracks. In the proposed approach, a degenerative computation scheme is used to condense the multiple element layers of the IEM domain to a single layer with master nodes at the boundary only. The validity of the proposed algorithm is demonstrated by comparing the results obtained for the vibration of a rectangular membrane with the analytical solutions and the solutions obtained using the conventional Finite Element (FE) method, respectively. The validated IEM algorithm is then coupled with an FE scheme to analyze various cracked membrane vibration problems. The results show that the fundamental frequency of the membrane changes in accordance with the membrane thickness, but is unaffected by the number of cracks. However, it is shown that a change in the location of the cracks may cause a shift or rotation of the wave peaks of the structural mode shape. In general, the IEM algorithm presented in this paper provides a fast modeling, direct, and accurate tool to simulate the effects of cracks on the dynamic response of MEMS membranes. Furthermore, the algorithm can be easily integrated with experimental methods in order to test for the presence of cracks as part of the MEMS membrane quality control process.     

不同缓冲材料的堆码包装振动特性分析

目的 研究物流运输中采用不同缓冲材料的堆码包装件的振动特性。方法 以缓冲材料聚乙烯泡沫(EPE)和聚苯乙烯泡沫(EPS)为研究对象,采用三维建模软件SoildWorks和有限元仿真软件Workbench建立有限元模型进行模态与谐响应分析,结合扫频振动试验和随机振动试验对各层堆码件的振动响应特性进行分析。结果 2类包装件共振频率处的第一激励能量都大于第二激励能量,振动幅值随层数增加而升高。EPE包装件第一和第二共振频率的激励能量占比分别为35.7%和3%,EPS包装件第一和第二共振频率的激励能量占比分别为26.8%和16.8%。EPE包装件共振区域主要分布于15～40 Hz,而EPS包装件共振频率区域分布于15～40 Hz和60～80 Hz。三层堆码件的中上层包装件受第一共振频率控制,EPS材料的底层包装件受多个共振频率影响,EPE材料的底层包装件受到第二共振频率控制。结论 经过循环载荷作用后的EPE的吸振缓冲性能优于EPS的。通过试验与有限元仿真数据绘制了相应的防振性能曲线,同时验证了有限元仿真的可靠性。这为堆码产品选择不同缓冲材料组合提供了的理论指导。     

猕猴桃的模拟振动实验及特性研究

目的研究猕猴桃在运输过程中振动特性以及机械损伤的影响因素,为增强水果运输包装的防护性提供可靠的理论依据。方法通过扫频振动实验检测猕猴桃的共振频率;基于正交实验分析法进行猕猴桃的定频振动实验,分析振动加速度、包装缓冲材料、振动时间和堆码层数等因素对表面损伤指数和振动传递率的影响,从而获得造成猕猴桃机械损伤的敏感因子。结果当振动加速度为0.15g时,猕猴桃的共振频率为85.2Hz;采用纸屑作为缓冲材料的整体包装,猕猴桃的受损程度最小,其振动传递率也较小。结论对表面损伤指数和振动传递率影响最大的因子均为缓冲包装结构,纸屑衬垫和EPS衬垫的缓冲性能优于PET衬垫。振动传递率越大,表面损伤指数越大。     

离心机动力学特性分析及设计技术

高线加速度下热与振动复合环境试验中,通常用离心机来实现高线加速度环境,在机臂上安装振动台、温度箱实现复合环境。离心机转速和振动台频率在很大范围内变化,且离心机固有特性随转速发生变化,所以离心机与安装其上的振动台发生共振的可能性较大,给离心机的隔振系统设计带来很多困难。采用有限元方法,对离心机的动态特性进行分析,得到离心机的各阶固有频率及模态振型随转速变化的规律,并对离心机进行了模态试验,证明了计算结果的可靠性。研究成果为离心机及其隔振系统的设计提供了重要的依据。