温度及加工误差对梳状微谐振器动力学性能影响的研究

摘要

MEMS技术的快速发展对人类的生产和科学技术进步带来了很大的影响。其中，微谐振器是MEMS中最重要的一种器件，既为精密准确的测量提供了许多新方法，也为研究分析各种物理现象创造了条件。梳状微谐振器是一种典型的微机电器件，它不仅可以完成机械能与其他能量之间复杂的相互转换，而且还具有设计灵活、结构简单和能产生较大的振动幅值等优点，在航空测试、汽车、医疗检测等各个领域得到了广泛的应用，所以对梳状微谐振器的研究和开发是MEMS研究的热点之一。
　　梳状微谐振器的工作模态为沿驱动方向振动，驱动方向模态对应的固有频率是它的谐振频率。谐振频率和品质因子是设计微谐振器时两个最重要也是最基本的参数，谐振频率决定了微谐振器的应用场合。微谐振器梳齿加工误差、偏置电压引起的预应力、各种结构参数的变化及温度应力等诸多参数都会对结构谐振频率及驱动模态出现的阶次产生影响，全面地揭示这些参数对微谐振器驱动模态和谐振频率的影响，对结构的设计和性能的提升具有重要意义，本文围绕这些参数的影响展开了全面细致的分析。
　　应用有限元软件ANSYS建立了梳状微谐振器的有限元模型，研究了梳齿偏移、初始交叠长度及偏置电压对电场分布规律的影响，发现梳齿偏移对静电场的拐角和边缘效应有明显的影响。将偏置电压引起的静电力作为载荷加到微谐振器上获得预应力，研究预应力作用下梳齿偏移、初始交叠长度等对谐振频率和驱动模态的影响，发现梳齿偏移对微谐振器的谐振频率没有影响，但是会影响微谐振器的第一阶固有频率，此阶模态可做扭转使用。
　　分析了支撑梁长度、梳齿长度和个数对微谐振器动力学特性的影响，支撑梁长度和梳齿长度的改变对微谐振器驱动模态的阶次及谐振频率大小均有影响，而梳齿个数只影响其谐振频率大小，通过改变梳齿的个数可实现对谐振频率的微调；谐振频率受支撑梁长度的影响最为显著。
　　工作环境温度的改变不仅会影响微谐振器所受的空气阻尼力和结构热弹性阻尼力，其产生的温度应力还会引起微谐振器刚度的改变，进而影响微器件的使用精度和系统的稳定性。微谐振器中的热弹性结构阻尼来自结构运动过程中的能量耗散，热弹性阻尼是系统所固有的能量耗散方式，根据结构的对称性建立了四分之一梳状微谐振器的力学模型，推导了微谐振器等效热弹性阻尼系数的计算公式，结合有限元计算得到的各温度下微谐振器的谐振频率及微梁的固有频率，深入研究了不同温度工况下谐振频率和品质因子的变化规律，发现空气阻尼和热弹性阻尼对微谐振器谐振频率以及品质因子有较大的影响，温度升高，谐振频率和品质因子将会随之减小。本研究为微谐振器的温度补偿提供了理论指导，为研究热弹性阻尼对微谐振器动力学性能的影响提供了依据。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 目前国内外研究存在的问题

1.4 本文研究内容及创新点

第二章 梳状微谐振器的理论基础

2.1 硅微谐振器的分类

2.2 静电驱动横向振动梳状微谐振器的结构和工作原理

2.3 梳状微谐振器的能量损耗机理

2.4 有限元分析原理

2.5 本章小结

第三章 梳齿间距工艺误差对微谐振器动力学性能的影响

3.1 梳齿间距工艺误差的分析

3.2 微谐振器静电结构耦合分析过程

3.3 梳齿偏移对吸合电压的影响

3.4 梳齿偏移引起的预应力对微谐振器模态和固有频率的影响

3.5 本章小结

第四章 结构参数对微谐振器模态和固有频率的影响

4.1 不同结构参数下对微谐振器模态及固有频率的分析

4.2 本章小结

第五章 微谐振器的温度特性研究

5.1 温度对微谐振器结构尺寸的影响

5.2 温度对微谐振器谐振频率的影响

5.3 温度对微谐振器品质因子的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 问题与展望

参考文献

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