横向振动微谐振器的空气阻尼研究及振动分析

摘要

横向振动微谐振器被广泛应用在MEMS器件中。由于在微结构中表面积与体积比值急剧增大，微动构件作谐振运动时引起的空气阻尼也大大增大，微谐振器的性能如谐振频率、品质因子等直接受空气的粘性阻尼影响。因此，研究常压下空气阻尼效应对MEMS微谐振器性能提高具有重要意义。 本文以静电驱动横向振动微谐振器为研究对象，着重探讨在谐振过程中，微谐振器作横向谐振运动所形成的空气阻尼流场的分析模型和研究方法，计入尺度效应、稀薄气体效应等因素，考察空气阻尼效应对微谐振器性能的影响。用静电驱动微谐振器性能实验装置，进行相关工况条件、构件结构参数的对比实验研究，揭示微尺度下空气阻尼运动规律，并研究在空气阻尼作用下微谐振器作谐振运动的运动形态。 本文在Navier-Stokes方程的基础上，计入稀薄气体效应和边界滑移条件，建立了作横向和纵向谐振运动的空气阻尼理论模型和相应的研究方法。研究发现，空气阻尼效应对横向振动微谐振器的性能，特别是运动形态和品质因子影响很大。研究结果表明，在微谐振器振动板与硅衬底间的流场速度分布与Couette流非常相似，而振动板上部流场速度分布与Stokes流动有较大差别。通过作者实验以及与国外实验数据比较，本文理论模型的计算结果与实验值非常吻合，证实了理论模型和研究方法的正确可靠。本文建立了微谐振器的动力学模型，并将其与空气阻尼模型相结合，研究有空气阻尼作用的微谐振器性能研究分析手段和设计方法。应用ANSYS有限元分析软件进行微谐振器的性能仿真分析，对微谐振器静位移仿真分析可以代替实验中不易测试的静位移值来验证理论分析值。通过理论分析与仿真和实验结果的比较，证实了横向振动微谐振器机械特性参数的理论分析方法是正确的，弹簧—质量—阻尼器模型较好地反映了微谐振器的振动形态。最后，研究了静电驱动微谐振器的设计方法和优化手段，对不同结构和几何参数的微谐振器性能进行了比较，并提出了因参数变化引起的性能变化规律，为微谐振器的性能提高提供优化手段。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

第二章空气阻尼模型和动力学模型的建立

第三章微谐振器的设计和加工

第四章微谐振器实验

第五章空气阻尼理论模型仿真与微谐振器实验数据对比

第六章基于ANSYS分析的微谐振器性能分析和比较

第七章微谐振器性能分析和优化

第八章总结和展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间参加和完成的项目

致 谢