静电驱动组合柔性结构的变形分析与实验验证

针对静电驱动组合柔性结构的变形进行分析,考虑静电力分布载荷的基本特征、静电力与组合柔性结构变形之间的耦合作用,依据静电场理论、伪刚体理论以及非线性柔性模型,给出分析不同电压下求解组合柔性结构变形的一般方法,同时给出静电吸合电压的计算式。设计加工了MEMS组合柔性结构,采用文中方法分析静电驱动中组合柔性结构的变形,同时搭建实验测试系统,确定电压加载范围,完成组合柔性结构的变形测试。将实验测试结果与理论计算结果进行对比分析,验证文中分析方法的正确性。     

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。     

静电驱动微浅拱梁跳跃和吸合特性的尺寸效应研究

基于修正偶应力理论研究了静电驱动微浅拱梁在考虑Casimir力时的跳跃和吸合特性。利用最小势能原理得到了微浅拱梁弯曲的控制方程和边界条件,应用广义微分求积法(GDQM)和广义积分求积法(GIQM)求解得到静电驱动微浅拱梁跳跃电压和吸合电压以及无量纲跳跃位移和吸合位移的数值解。结果表明,静电驱动微浅拱梁的跳跃特性和吸合特性具有明显的尺寸效应;基于修正偶应力理论的静电驱动微浅拱梁的跳跃和吸合电压低于经典理论值;Casimir力降低了微浅拱梁的跳跃和吸合电压以及无量纲跳跃和吸合位移;微浅拱梁初始拱高对其跳跃和吸合特性有着重要的影响。     

静电驱动阶梯型微悬臂梁吸合电压分析

针对静电驱动微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)器件中常见的阶梯型微悬臂梁结构,提出一种吸合电压的计算方法。基于欧拉梁理论和修正的偶应力理论,运用能量法推导出吸合电压理论模型。采用试函数与待定系数的积来表示微悬臂梁位移,利用泰勒展开来简化求解过程。通过与有限元结果对比来验证模型的正确有效性,讨论试函数的选取以及泰勒展开阶数的确定,并与传统质量弹簧模型方法进行对比,最后研究其吸合特性。结果表明,泰勒展开阶数取8时截断误差可以忽略,试函数选择阶梯型微悬臂梁位移函数,理论模型预测误差小于5%,预测结果明显优于传统方法。吸合电压随宽度比增加而单调递增,随长度比增加出现先减小后增加的变化现象,可为低驱动电压MEMS器件设计提供参考。该理论模型中考虑了边缘场效应、尺度效应的影响,可应用于微纳米尺度的微悬臂梁的吸合电压预测。     

静电驱动微悬臂梁静态吸合特性的尺寸效应研究

基于修正偶应力理论研究了静电驱动微悬臂梁在考虑Casimir力时的静态吸合特性。利用最小势能原理得到了微悬臂梁弯曲的控制方程和边界条件,应用广义微分求积法(GDQM)求解后得到静电驱动微悬臂梁吸合电压与无量纲吸合位移的数值解。结果表明,基于修正偶应力理论的静电驱动微悬臂梁的吸合电压明显高于经典理论值,表现出明显的尺寸效应;同时Casimir力降低了微悬臂梁的吸合电压与无量纲吸合位移。当微悬臂梁的初始间隙g远远大于其厚度h时,Casimir力的影响可以忽略不计。     

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。     

MEMS电容应变传感器

本文详细介绍了一种用硅玻璃键合工艺制作的微型梁式电容应变传感器,通过ANSYS软件并结合MEMS器件的特点进行优化,设计并制作了由MEMS工艺实现的微型梁式电容应变传感器.为保证应变器件稳定工作,在测量电路中加一直流静电驱动电压在电容器的极板之间,以保证建立的电场在两极之间产生一个静电力,引起膜片发生向下形变的弯曲,从而保证作用在轴向的应力不会使应变梁产生失稳.文中详细给出了工艺流程和测试结果,通过实验测试证明,用这种方法制作的电容应变器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性,其中应变灵敏度达10 fF/MPa,测量误差小于1%FS.     

电磁MEMS微镜贴片封装残余应力测试与特性研究北大核心CSCD

针对在MEMS微镜贴片封装过程中引入残余应力的问题,文中基于层合梁理论,研究了MEMS微镜芯片贴片热变形的影响因素及其变化规律;此外,基于欧拉-伯努利梁模型和有限元分析,建立了轴向应力与微镜Piston模态的谐振频率间的解析关系;实验验证了不同封装参数影响下微镜样品的Piston模态频率偏移程度,评估了影响样品中残余应力水平的因素及其变化趋势,结果与理论分析、有限元仿真一致,为MEMS微镜贴片封装优化设计提供了技术支撑。     

基于几何反弹簧结构的高分辨率MEMS加速度计北大核心CSCD

为了提高MEMS加速度计分辨率和灵敏度,提出并设计了一种基于几何反弹簧原理的新型MEMS加速度计结构。拟采用静电力将加速度计静态工作点设置在梁低刚度位置来提高灵敏度。首先通过理论计算和有限元仿真,分析了几何反弹簧结构实现准零刚度的原理,并优化了关键几何参数;其次基于免划片SOI工艺完成了MEMS芯片制作;最后搭建了开环测试电路进行测试验证。测试结果表明:施加25 V偏置电压后,加速度计灵敏度从46.3 mV/g提高至51.1 mV/g,线性度为0.99%。验证了静电偏置几何反弹簧结构通过降低刚度系数来提高加速度计的灵敏度的可行性。     

求解静电驱动微梁变形的数值与解析方法

给出了一种静电力作用下微悬臂梁控制方程的数值求解方法,提出了求解该模型的近似解析式和修正解析式,并采用模态叠加法计算微梁的动响应。结果表明,修正解析式、数值算法和动响应方法计算的微梁变形结果是一致的。同时也揭示了微梁振动响应周期与驱动电压成正比、动态临界电压低于静态临界电压等相关特性。     

考虑温度效应的两端固支微机电开关梁静力分析

建立考虑温度效应的二维两端固支微机电开关梁静力变形分析模型,利用该模型分析温度变化引起的失稳问题,并利用该模型对两端固支微开关梁受电场力和温度作用下的受力变形进行分析。分析过程分为三个阶段：梁受电场力和温度变化作用,而在梁中点不受任何约束的变形阶段;除受电场力和温度变化作用外,梁中点变形受约束,因而梁中点受支反力作用的变形阶段;梁受电场力、温度变化以及支反力作用,并且在梁的中间一段具有指定挠度和转角的变形阶段。第二阶段中支反力的大小以及第三阶段中支反力的大小和位置都同驱动电压和温度变化有关。在实例中,给出部分计算结果,包括：温度变化对不同阶段梁受力变形的影响、对吸合电压的影响、对微开关电容的影响,以及不同温度变化下梁长对吸合电压的影响和不同温度变化下梁高对吸合电压的影响等,从中可以看出温度变化的作用及考虑温度效应的必要性。     

力平衡式真空微电子加速度传感器的机电耦合特性

力平衡式真空微电子加速度传感器的惯性敏感元件不仅受弹性力的作用,同时还受静电力的作用,其总刚度为机械刚度和由静电力引入的电学刚度之和。本文利用平行板电容器模型计算发射电极间的静电力,并引入一个修正系数描述发射锥尖阵列的影响,对传感器性能进行了理论分析。分析表明,提高偏置电压可以改善传感器的线性度和灵敏度,通过调节偏置电压来调整系统的刚度和阻尼比可使其具有更好的动态特性。由于静电吸合效应的影响,质量块的位移必须小于偏置电极间初始间距的1/3,系统才能稳定。为了获得较好的动态特性,需要确定一个由偏置电压决定的优化工作点。实验结果表明,当设置发射电压和反馈偏置电压分别为1.953 V和5.478 V时,该真空加速度传感器的灵敏度达到557 mV/g,非线性度为0.95%,传感器系统具有良好的性能。     

轴力对吸合电压影响分析的一种近似方法

利用积分中值定理,提出两端固支梁中轴力的近似分析方法,结合几种满足位移边界条件的位移函数,推导两端固支梁中轴力的近似计算公式,并将这些计算公式应用于分析两端固支微机电开关梁的吸合电压中。计算实例中,针对一些不同的梁长、不同的梁厚、不同的驱动电极长以及不同的初始间隙,通过比较几种不同的轴力公式得出的吸合电压计算结果可见,选用余弦位移函数计算轴力时,文中提出的考虑轴力时吸合电压的计算结果精度较高。另外,影响相对误差大小的主要因素是梁厚和初始间隙,而梁长对相对误差的影响很小。     

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.     

静电微泵吸合与释放特性研究

为避免静电微泵因驱动电压过高而出现吸合现象,建立描述静电泵膜吸合与释放现象的一维集中质量模型、二维分布式模型和三维有限元模型,对比研究静电致动泵膜在准静态下吸合与释放的循环过程,获得整个循环过程的泵膜挠曲线变化、泵腔体积变形、电容变化等大量的数据与曲线.比较结果表明,二维分布式模型求解效果最好,并利用三维有限元模型和宏...     

基于谐振原理的微机械疲劳试验装置的研究

设计出一种基于梳状驱动器原理的静电力驱动的微机械疲劳试验装置，该装置可由典型的表面牺牲层标准工艺制作。对所设计的MEMS（micro-electro-mechanical system）疲劳试验装置中的圆弧梳状驱动器的电容及静电驱动力进行理论分析，并采用ANSYS机电耦合单元对装置的振动过程进行模拟，模拟结果与理论分析相吻合。研究结果表明在一定范围交流电压的驱动下试样能达到MEMS疲劳测试所要求的应力水平，并对该电压范围进行预测。     

刚柔耦合柔性机械手二阶理论精准建模及实验研究

基于动边界条件和三种变形理论,选取Euler-Bernoulli梁模型,采用假想模态法并结合拉格朗日方程建立了双关节柔性机械手的精准动力学模型。根据理论计算仿真结果分析了动边界条件和变形理论对双关节柔性机械手理论建模精准性的影响,并通过实验对比双关节柔性机械手在不同动边界下理论模型和实验条件下的模态频率,验证了转动自由梁模型与实际工况更为贴近。     

多层悬臂梁静电作用下的弯曲及吸合电压分析

多层悬臂粱MEMS器件具有广泛的应用,其吸合电压对器件性能有重要影响。通过选取合适的挠度试函数,并考虑多层悬臂梁中的绝缘层对等效间隙高度的影响,运用能量法分析了多层悬臂梁在静电作用下的弯曲情况。推导出了梁在发生吸合现象时,其自由端归一化的挠度值和对应的吸合电压的解析表达式。用Coventor软件中的CoSolveEM模块验证所得公式,表明模型具有较高的精度。所得结论对静电执行结构设计具有一定的参考价值。     

静电致动硅膜板的宏模型建立方法

器件宏模型技术是MEMS系统设计和系统级仿真的关键技术。为了建立静电致动硅膜板的宏模型,在模态有限元分析的基础上,利用多维非线性函数拟合方法,将由数值计算得到的板的动能、弹性能和电容写成以模态广义坐标表示的解析式。导出双模态坐标下的静电微板的动力学特性方程,即宏模型。利用该宏模型研究了器件的静态、动态特性,并与有限元计算结果比较。表明,用模态坐标表达的动态宏模型能够考虑残余应力、大变形、静电力等非线性因素的影响,大大地减少了计算费用,而且具有足够的仿真精度。     

MEMS薄膜泊松比在线提取方法研究

提出了一种新的泊松比在线测量方法,在用两端固支梁静电吸合模型提取薄膜等效弹性模量的基础上,根据薄膜的等效弹性模量、杨氏模量、泊松比之间的关系提取薄膜的泊松比.在确定的工艺条件下,选择多组尺寸的测试结构用Coventor Ware软件计算吸合电压值,分析不同梁长对提取等效弹性模量精度的影响,表明选择合适的梁长可得到具有较高精度的泊松比.