静电梳微谐振子蟹脚型结构的振动特性

运用梁的理论讨论了静电梳微谐振子常见结构———蟹脚型结构的振动特性 ,推导出计算蟹型结构谐振频率的计算公式 ,分析了各几何参量对结构谐振频率的影响 ,并和静电梳微谐振子的另一种常见结构———直脚型结构的振动特性进行了比较。得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义     

静电梳微谐振子直脚型结构的振动特征

静电梳微谐振子是微机械领域常用的直线型驱动装置。运用梁的理论讨论了一种常用的结构－直脚型结构的振动特性,提出了计算机结构谐振频率的实用算法。并探讨了影响谐振频率的几何参数,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义。     

静电梳微谐振子直脚型结构的振动特性

静电梳微谐振子是微机械领域常用的直线型驱动装置。运用梁的理论讨论了一种常见的结构———直脚型结构的振动特性 ,提出了计算结构谐振频率的实用算法。并探讨了影响谐振频率的几何参数 ,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义     

静电梳微谐振子结构中的静力学问题

本文针对微机械领域中常用的静电梳微谐振子中存在的静力学问题 ,对其悬臂梁的两种结构——蟹脚型结构和直脚型结构的受力情况作了分析 ,推导出应力和位移的计算方法 ,并对蟹脚型结构的设计进行了优化 ,和国外文献进行了相比 ,它们更符合实际情况     

静电梳状硅微单侧直脚谐振器的力学性能

建立单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的三次超静定简化力学模型,给出该模型中谐振频率、弹性系数和横向最大位移的计算公式.与五次超静定系统的双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的各力学性能参数的计算公式对比发现它们有显著差别.分析表明,与双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器显著不同,单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的谐振频率、弹性系数、横向最大位移会随两根支撑梁的间距变化而改变,并当此间距超过某一值后,上述三变量的变化均很小且趋向于一定值.同样,后者的谐振频率会随支撑梁厚度的变化而单调改变,这也是前者所没有的现象.为此从两者因为超静定次数不同而约束冗余度不同的角度,对此现象进行了物理意义上的解释.经与试验结果对比,单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器横向谐振频率的理论值与实测值吻合较好,最大误差为12.07%.     

不同型式支撑的静电硅微谐振器的性能比较

针对直脚型、蟹脚型、之字型和弓型四种支撑梁结构型式的静电梳状谐振器,介绍了符合问题实质的五次超静定力学模型,给出了横向谐振频率、弹性系数和位移随谐振器结构参数和材料参数变化的函数关系。经与试验结果对比,各类谐振器横向谐振频率的理论值与实测值吻合较好,最大误差为11.62%。比较分析表明:在特征尺寸相同的情况下,直脚型、蟹脚型、之字型和弓型静电梳状谐振器的横向谐振频率依次减小,且都与谐振器的厚度无关;在特征尺寸和驱动电压相同的情况下,直脚型、蟹脚型、之字型和弓型静电梳状谐振器的横向位移输出能力依次增加;直脚型、蟹脚型、之字型和弓型静电梳状谐振器的横向弹性系数,均只与材料的杨氏模量和支撑梁的几何参数有关,而与横向位移无关。     

静电梳微谐振子结构的力学分析

针对微机械领域中常用的静电梳微谐振子 ,对其悬臂梁的两种结构——蟹脚型结构和直脚型结构的受力情况作了分析 ,推导出应力和位移的计算方法 ,据此从理论上阐述了在实际中多用直脚型结构的原因。得出了比国外文献更符合实际情况的分析结果。     

一种用于微谐振器频率调节的静电梳齿结构设计

针对微梳齿谐振器频率偏移的问题,提出了一种用于微谐振器频率调节的曲线形状静电梳齿结构。通过对梳齿简单模型的静电力分析,得出其静电力-位移特性,其斜率就是静电弹性系数;然后从谐振频率出发,分析了影响谐振频率的因素。研究结果表明,对于梳齿式微谐振器,当调谐电压从0 V变化到80 V左右时,器件的有效弹性系数从2.64 N/m减小到1.23 N/m左右,且谐振频率从自然谐振频率18.9 kHz减小到13 kHz,降幅分别为53%和31%。实验结果表明,这种曲线梳齿"软化"了静电微谐振器或者微驱动器的系统弹性,能够有效地调节谐振频率。     

半球谐振陀螺振子耦合振动的有限元分析

半球壳谐所在振子是半球谐振陀螺的敏感部件。如何固定，封装该谐振子有重要的实际意义。本文在详细分析谐振子振动的基础上，采用有限元法深入研究了支承结构，得到了支承杆对其振动特性影响的有关规律。基于减小支承杆弯曲振动对谐振子动力特性的影响，得到Ψ型结构最佳的重要结论，给出了谐振子有关参数的实用设计准则。     

压电电极对圆杯形陀螺振子振动特性影响分析

压电电极作为圆杯形谐振陀螺的驱动及检测换能器,直接影响振子的振动特性及陀螺性能.针对合金振子的振动特性,建立了压电电极的机电耦合模型,通过有限元方法重点分析了不同结构尺寸的压电电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响,得到了优化结构参数(8 mm ×2 mm×0.3 mm),并进行了试验验证.结果表明:电极结构变化对谐振子的谐振频率和频率裂解的影响都很小,分别在10 Hz和2 Hz以内,而对输出增益和应力的影响随长、宽、厚有规律变化.研究工作为陀螺电极设计、陀螺性能提高提供了依据.     

低温环境下MEMS微构件的动态特性及测试系统

研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律,从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响,并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统,采用半导体冷阱实现低温环境,利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,通过底座的冲击激励,使微悬臂梁处于自由衰减振动状态,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统,在-50℃～室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试,结果表明,随着温度的降低,微悬臂梁的谐振频率略有增大,其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K,与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50℃～室温环境下微构件的动态特性测试。     

多晶硅薄膜离面疲劳特性研究

多晶硅薄膜材料为微电子机械系统(MEMS)器件最重要的材料之一,对其疲劳特性的研究是现阶段失效分析研究的热点和重点.利用表面加工的多晶硅矩形微悬臂梁结构对该问题展开实验研究.通过干法刻蚀在微悬臂梁根部制作纵向应力集中区,利用静电激励激励微悬臂梁进行离面振动,谐振频率检振方法跟踪微悬臂梁机械性能的变化.结果证明在1010～1011次循环振动载荷作用后,微悬臂梁结构刚度下降,谐振频率减小,频率最大绝对偏移量达到1.544 kHz,相对偏移量达到结构本征频率的1.3%.这些结果首次验证了MEMS结构在离面振动方向上也存在显著疲劳现象.和已有文献相比,实验中结构所受应力幅度较其小2个数量级(约1～10 MPa量级),而频率偏移量却高于其数十倍.这很可能是因为纵向干法刻蚀引入了较大的粗糙度,显著加速了多晶硅结构的晶界分离速度,因而也加速了疲劳.     

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。     

基于腔结构的射频微机械谐振元件的设计

对圆柱形复合腔结构微机械谐振元件进行了设计研究,提出了一种基于柱形腔结构的微机械复合谐振元件的设计方法,并对其结构及特性进行了研究.建立了复合腔结构的电磁场数学方程,腔体基于体微机械微细加工技术实现工艺设计,最后对该元件进行了仿真分析.TM010模式下,谐振腔谐振频率为24.313299GHz,Q值为3529.707890,考虑微带耦合时仿真出复合谐振元件的最佳谐振频率为24.75GHz.仿真实验结果和理论值的平均误差不到1%,两者吻合得很好,说明了该设计的可行性.进一步改变结构参数,可获取不同谐振频率的器件,且可在腔体中填充高介电常数介质来减小器件的谐振频率,克服了以往使用腔体结构在低频段时体积过大等问题.     

表面微坑超声振动加工系统负载调频特性研究

表面微坑超声振动加工技术对于改善缸套—活塞环摩擦副的摩擦润滑状态具有重要意义.针对表面微坑超声振动加工过程中谐振频率随负载漂移的问题,建立微坑加工等效负载与换能器谐振频率和调谐电感的关系模型,通过仿真和试验验证研究了外加负载变化时,谐振频率与调谐电感值的变化规律.结果表明,随着外加工具杆长度增加,换能器谐振频率呈下降趋势;通过在回路中串联一个调谐电感,补偿负载的变化量,可使换能器谐振频率回到设计谐振频率.可见外加调谐电感可有效解决表面超声微坑振动加工过程中谐振频率随负载漂移的问题.     

半球谐振子质量不平衡对振动特性的影响研究

质量不平衡是半球谐振子制造过程产生的主要缺陷之一,其对谐振子的振动特性产生重要的影响。为制定半球谐振质量不平衡评价方法及为修调提供依据,对谐振子的结构特征及质量不平衡进行了表征,通过耦合振动物理模型及仿真分析,明确了谐振子耦合振动产生机理、质量不平衡对频率裂解及支撑损耗的影响。并通过实验,测得了谐振子的不同去除质量下频率裂解特性及耦合振动特性,得到了谐振子质量不平衡与振动特性之间的关系,通过实验数据得出未经过平衡的谐振子1、3次谐波及2次谐波的分布特征,以及它们引入的支撑损耗分别为1.6×10^-8、3.7×10^-9;频率裂解与4次谐波不平衡质量对应关系为0.01 Hz/μg,由此可以对谐振子质量不平衡进行评价及制定调平工艺。     

电信系统中的硅微机械滤波器结构鲁棒设计

基于2振动自由度的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器振动模型,利用结构鲁棒设计思想,在指定耦合梁宽度等于振子折叠梁宽度的前提下,推导出了两个固有频率对微梁宽度工艺误差的灵敏度模型,得到了对工艺误差不敏感的梳状振子应满足的几何条件,将现有参考文献中仅适用于单个振动自由度微谐振器的结论推广到了多振动自由度微机械滤波系统。并以正方形作为振子基本形状,推导出了折叠梁宽度与补偿孔壁厚、补偿孔数量的重要关系。最后,给出了设计实例。所提出的方法对于其他类型的多自由度微机械振动系统设计也有重要的参考意义。     

静电硅微多折叠梁谐振器设计和试验研究

建立了静电硅微多折叠梁谐振器的横向振动模型,得到了多折叠梁的变形方程和该类谐振器谐振频率的解析表达式。用标准体硅微工艺设计加工出两类共4种该类谐振器,通过试验测定其谐振频率,并用ANSYS软件进行了模态分析。结果表明,该类谐振器谐振频率的理论计算值和ANSYS模拟值与实测值间的相对误差均小于2％,验证了该理论模型的正确性。采用多折叠梁谐振器可以实现低频下大振幅的电能-微机械能的转换。     

一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用

针对静电驱动微机械谐振传感器接口动态电容的测量,文中介绍了一种读取接口电路,采用了高频方波对振动信号进行调制,模拟开关进行解调。以静电驱动的某真空封装微机械振动双框架陀螺为例,接口电路实验测试得到的波形与设计预期一致,并利用接口电路和频率扫描方法成功测得微机械振动陀螺驱动模态谐振频率为13.552 k Hz,品质因数为1863。     

大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析

针对现有微静电梳状谐振器用作驱动器时输出位移极小的弱点,提出一种结构新颖、输出位移大、能工作于谐振状态和静电力状态下的多折叠梁微静电驱动器设计方案.建立该驱动器的力学分析模型,给出位移、弹性系数和谐振频率的解析公式.研究表明,当特征尺寸相同时,与常用的直脚型和蟹脚型谐振器相比,在相同电压下其输出位移可提高7倍～14倍,而在相同最大应力条件下其位移输出能力可提高4倍～9倍.