机电耦合中微开关悬臂梁的瞬态分析

在微机电开关梁的设计过程中,对其吸合过程的响应时间的分析具有重要的意义。对静电力驱动的微开关梁的瞬态分析用于确定设计中的结构或机器部件的响应时间是必要的。运用ANSYS软件对微梁模型进行机电耦合分析,采用Trans126换能器单元的直接耦合静电—结构分析模型,分析了微梁的瞬态特性,得出微梁的吸合时间随着厚度的增大而增大。     

力电耦合下MEMS微梁变形行为的结构参数影响研究

MEMS和其它微系统产品中许多致动器利用静电力作为驱动力.在许多微型电动机和致动器的设计中,分析静电力作用下微梁结构参数如悬臂梁的厚度对微梁挠度的影响是必要的.基于物理环境法顺序耦合法来分析悬臂梁的力电耦合,运用ANSYS软件对微悬臂梁模型进行机电耦合分析,讨论了在其他结构参数不变的情况下,微梁厚度与最大变形量的变化关系,并通过拟合曲线进一步探讨了微梁厚度对结构驱动性能的影响.     

微扑翼飞行器静电驱动机构的机电耦合特性研究

静电微驱动机构在微机械传感器、激励器中有着广泛的应用。对一种用于微型扑翼飞行器的扭转式静电微驱动机构,在建立其非线性动力学模型的基础上,采用数值方法在相空间中分析了系统的非线性动态特性,研究了初始条件和阻尼对临界拉入电压的影响,分析了在不同激励电压信号下系统的响应并得出方波信号较优的结论。最后针对静电扭转梁的有限元模型,采用顺序耦合场分析方法研究了系统的机电耦合特性。所得研究结论对扭转式静电微驱动机构的设计与应用提供了一定的理论依据。     

静电力作用下微梁变形分析与计算

机电耦合问题是微机电系统结构分析中的重要内容之一,目前多采用有限元方法求解。作为结构分析的有限元方法从精度上来说是令人满意的,但对于结构设计来说计算效率低、费用高。本文在对微梁结构控制方程中的静电力和梁伸长拉力公式进行校正的基础上,给出一种易于实现的不需要求解方程组的数值计算方法,通过计算实例证明,该方法与有限元方法计算的结果误差在2%以内。     

三维微型梳齿的静电结构耦合特性研究

为了解微机电系统中,静电结构耦合作用对微梳齿结构性能发挥的复杂作用,对三维微梳齿驱动器的静电结构耦合特性进行了研究,用有限元方法仿真和分析了耦合作用在3个方向上对梳齿结构静电力或位移的影响。结果显示出3个方向的耦合作用都随着电压增大而增大,不同方向耦合作用对静电力和位移的影响不同,其中x方向上的作用最为显著,考虑梳齿在不同情况下的耦合作用对梳齿结构的设计、驱动电压的选择等有指导意义。     

基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

微机电系统中基于模态展开和边界元法的静电-结构耦合高效分析方法

为了提高微机电系统中静电-结构耦合数值计算速度,提出了一种新的针对微结构小变形的静电-结构耦合高效率数值计算方法。该方法将用于结构分析的微梁线性方程与用于静电场分析的边界积分方程相结合,微梁方程部分用标准的模态分析法处理,静电边界元方程则采用边界元法处理,并且将边界元方程用Taylor级数在微梁未变形的位置展开,以使静电计算能在微梁未变形的位置进行。同以往的常规算法相比,当微结构变形微小时,使用该方法,微结构变形后的面电荷密度可以在微结构未变形中计算,从而大大提高了静电-结构耦合数值计算效率。将该方法的计算结果与已有的文献计算结果和ANSYS的计算结果做了对比,验证了本方法的正确性,并且计算效率有显著提高。     

微机电陀螺耦合刚度的辨识

针对微机电陀螺耦合刚度的辨识,提出了以驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合频率响应特性为基础的耦合刚度辨识方法。设计了一种驱动轴和检测轴双向位移解耦的双质量线振动微机电陀螺,基于经过简化的梁的刚度特性建立了微陀螺平面运动动力学方程,导出了结构在存在耦合刚度情况下驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合的传递函数。根据耦合传递函数把刚度耦合产生的根源定位到特定的几组梁之间的刚度误差。通过驱动-转动耦合与驱动轴幅频特性之比辨识出驱动-转动耦合刚度系数,通过驱动-检测耦合与检测轴幅频特性之比辨识出转动-检测耦合刚度系数。实验测试了设计加工的微陀螺的频率响应特性,利用提出的耦合刚度辨识方法得到陀螺的驱动-转动和转动-检测耦合刚度系数分别为0.14N和0.054 33N。得到的耦合刚度的辨识结果可为微陀螺梁刚度的激光修调提供参数依据。     

仿生微扑翼机构的设计与机电耦合特性研究

根据昆虫扑翼飞行的原理，设计了一种基于昆虫胸腔式结构的静电驱动微扑翼机构。根据驱动机构的物理模型建立了机电耦合系统的非线性动力学模型，应用数值方法研究了系统在常值电压激励下的动态响应；在相空间中分析了系统的非线性动态特性，研究了阻尼和初值对系统动态特性的影响；讨论了系统在正弦激励电压信号下的响应。研究结论对微扑翼驱动机构的设计、制作和应用提供了一定的理论依据，对于其他静电驱动的微机电系统亦有一定的参考价值。     

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。     

驱动信号与微波信号物理隔离的RF MEMS开关的研究

针对MEMS开关在宽带应用时遇到的驱动信号与微波信号间的干扰问题,论述了驱动信号与微波信号物理隔离的多种开关的设计,分析了4种结构形式的MEMS开关,使用IntelliSuite○R软件进行开关机电耦合分析。在开关总的结构尺寸确定的前提下,使用ADS/Momentum场分析软件,微调膜桥和梁的结构参数,通过通孔接地实现微带线与CPWG信号的连接,通过驱动电极的结构和连接方式及与微波信号线间隙的调整,实现了MEMS开关整体性能的优化。     

激光驱动双层悬臂梁结构的建模仿真

为了研究微机电系统悬臂梁结构的新型驱动方式,提出一种基于微尺度热膨胀效应的激光光热驱动双层悬臂梁结构的方法。将激光作为加热源,利用激光加热材料产生热膨胀的机理,驱动双层的悬臂梁结构产生弯曲位移。推导出一维的激光加热双层悬臂梁产生温度升高的物理模型,耦合到双层悬臂梁弯曲的几何模型中。构建激光参数、温升、位移之间的理论关系公式,得到激光功率与垂直位移之间的理论关系曲线。结果表明,激光功率与垂直位移之间是近似呈线性增加的关系。同时利用计算机仿真结果与解析结果进行对比研究,对比研究结果表明基于激光光热的仿真模型符合实际情况,具有一定的准确性。     

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。     

刚体—微梁系统的动力学特性

由于微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应,使得微梁的动力学性态较传统的大尺寸柔性梁的动力学性态呈现明显的不同。对中心转动刚体、柔性微梁组成的刚体—微梁一类刚柔耦合系统的动力学特性进行研究。在柔性微梁变形位移中,计及横向位移引起轴向缩短的耦合变形量,采用偶应力理论(又称Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,由Hamilton原理推导出系统考虑尺度效应的刚柔耦合动力学方程。在此基础上,分析微梁固有频率对微尺度的依赖性,比较在不同转速下零次近似模型和一次近似模型振动频率的差异,从而确定在考虑尺度效应的微尺度下零次近似模型的适用范围,最后分析尺度效应和耦合变形量对微梁刚度的影响。研究表明,尺度效应提高微梁的固有频率,尺度效应对微梁刚度的影响是静态的,耦合变形量对微梁的刚度的影响与转速有关。     

应变梯度对静电力驱动微梁吸合电压的影响

基于应变梯度理论,建立静电力驱动微梁的控制方程,通过瑞利-利兹法对微梁的控制方程进行降阶,得到一组非线性代数方程。利用牛顿-拉菲森法求解该方程组,确定微梁的吸合电压,分析应变梯度对吸合电压的影响规律。结果表明,当微梁的无量纲厚度减小时,无量纲吸合电压将显著增大,表现出明显的尺寸效应;随着材料内禀特征长度的增加,无量纲吸合电压的尺寸效应也越显著,说明应变梯度对微梁的吸合电压影响显著。随着微梁无量纲厚度的减小,残余应力对无量纲吸合电压影响显著,可以减弱应变梯度对无量纲吸合电压的影响;同时应变梯度可以显著降低中面伸长对吸合电压的影响。分析结果可为微机电系统中微梁的设计提供参考。     

液压驱动控制的偏心回转系统同步特性

以液压振动桩锤这种大功率惯性振动机械为对象,用机电液耦合动力学理论研究液压驱动控制的偏心回转系统的自同步特性问题。建立无相位差监控的惯性振动机同步系统的机电液耦合模型,对该模型进行仿真研究,分析摩擦转矩、动刚度、动阻尼、激振器结构参数和液压马达泄漏等各种因素对自同步系统稳定工作过程和过渡过程的影响。建模和仿真结果显示,上述各种因素之间及其与振动机的机体之间相互影响、具有复杂的耦合关系,可以通过修正阻尼、刚度、泄漏系数及激振器结构参数等,来提高同步效果,其中刚度和泄漏系数调节效果最明显。研究表明,建模仿真正确反映了上述各种因素影响与振动机的机体之间的耦合关系,对于优化液压驱动的振动机械机电液系统设计具有理论指导意义。     

多维无线能量传输体内微机电系统的设计与实验研究

以改进体内微机电系统传输功率的稳定性为目的,设计了多维无线能量传输系统,包括耦合结构和外围的微型化印制电路板(PCB)。二维外围PCB将两块一维的PCB连接使用。通过对二维无线能量传输系统的测试,表明该系统能够较好地驱动胶囊内窥镜系统工作。对三维无线能量传输系统的外围PCB进行设计。分析无线能量微机电系统的布局优化和外壳结构设计方案。     

音叉式全解耦微机电陀螺的设计与仿真

文中对严重影响微机电陀螺(简称微陀螺)灵敏度的机械耦合误差进行深层研究和分析,提出并设计了一种基于体硅制造的新型全解耦音叉式微陀螺仪。为实现新型微陀螺的驱动和检测模态完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。根据微陀螺仪的实体模型建立了其动力学模型,应用两种空气阻尼模型对检测阻尼特性进行了研究和计算。通过多种固有模态的匹配仿真试验和谐响应分析,确定了新型微陀螺的检测方式和弹性梁结构参数。仿真结果显示,该新型陀螺实现了驱动和检测方向的完全独立,显著减小了机械耦合误差。     

超磁致伸缩微位移驱动系统的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,机电耦合系数大等特性。文章分析了超磁致伸缩材料的驱动原理,介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成及工作原理。并对该系统的伸长量,微位移精度等性能指标进行了实验研究。     

弹性梁式构件的运动稳定性分析

结构－控制耦合系统是一种机械负载与驱动控制器相互作用的动态反馈系统。将机械系统和控制系统统一考虑,将驱动机械负载的驱动力也看成是结构－控制耦合系统的内力,则可采用处理力学上保守系统的方法使建模和分析大大简化。采用能量方法对无重力状态下弹性梁运动的相对平衡状态进行分析,得出了系统相对平衡的稳定条件。以此稳定条件作为系统运动的控制参数,有利于使弹性梁的动能转化为驱动－控制系统的电磁势能,这样一方面会加速驱动系统的制动,另一方面会迅速衰减弹性梁的振动。研究工作的结果是为弹性梁提供了一种非常简单有效的实时控制方法,该方法已在多种弹性梁试验系统上得到证实。