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微悬臂梁的冲击、静电和阻尼研究

作　者: 李向光
导　师: 王志斌; 黄钦文
学　校: 中北大学
专　业: 光电子技术与仪器
关键词: MEMS 微悬臂梁机械冲击静电驱动压膜阻尼
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

MEMS产品的应用范围越来越广，理解MEMS产品在不同工作条件下的行为和失效模式对提高器件可靠性、优化结构设计是十分重要的。机械冲击对MEMS结构的影响是一个非常重要的问题，因为MEMS器件在加工、运输以及使用过程中不可避免的会受到外界的冲击和碰撞；在冲击作用下，MEMS器件可能会发生短路、断裂、粘附等失效模式等。静电驱动是MEMS中最常用的驱动方式之一，静电驱动的MEMS器件在受到外界冲击时，微结构中的静电力会和冲击力发生耦合，使原本稳定的系统出现下拉现象。在MEMS中阻尼是一项十分重要的内容，它会对MEMS器件的性能、设计和控制产生强烈的影响。本文首先基于集总参数模型和分布参数模型，研究了MEMS微悬臂梁在冲击下的响应；其次基于双自由度系统、分布参数-单自由度系统，讨论当外界冲击作用在PCB上时微悬臂梁的响应情况；然后分别研究了微悬臂梁在静电力，以及静电力和冲击力共同作用下的响应，介绍了一种求解静电非线性微分方程的数值迭代方法。在进行冲击和静电分析时，均假设微悬臂梁被放置在真空环境中，忽略空气阻尼的影响；最后通过解析法和有限元法研究了MEMS中的压膜阻尼效应。研究结果表明外界冲击可以作为准静态载荷或动态载荷作用在微悬臂梁上，这主要取决于冲击持续时间与微悬臂梁自然周期之比；PCB对微悬臂梁的影响与自身频率、冲击频率和微悬臂梁的频率有关。存在静电力作用的稳定系统，尽管工作在远离不稳定阈值的范围内，但由于受到外界冲击的影响系统仍会变得不稳定。压膜阻尼会阻碍微结构的振动，当压膜阻尼中的弹性阻尼不能被忽略时，随着压强的变化，压膜阻尼会使MEMS器件的频率发生漂移。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 选题背景和意义  10-11
  1.2 研究现状  11-12
    1.2.1 MEMS 冲击研究现状  11
    1.2.2 MEMS 静电驱动研究现状  11-12
    1.2.3 压膜阻尼的研究现状  12
  1.3 研究内容  12
  1.4 论文框架  12-14
2 MEMS 中的建模方法  14-28
  2.1 集总参数建模  14-22
    2.1.1 微结构的刚度  15-18
    2.1.2 解析法推导微悬臂梁的刚度  18-21
    2.1.3 微悬臂梁的等效质量  21-22
    2.1.4 微悬臂梁的弹簧-质量模型  22
  2.2 微悬臂梁的分布参数建模  22-26
    2.2.1 线性运动方程  22-23
    2.2.2 边界条件  23-24
    2.2.3 微悬臂梁的静态响应  24-25
    2.2.4 自然频率和振型  25-26
  2.3 本章小结  26-28
3 冲击对微悬臂梁的作用  28-41
  3.1 微悬臂梁受到冲击作用  28-32
    3.1.1 冲击的集总参数模型  28-29
    3.1.2 冲击的分布参数模型  29-30
    3.1.3 微悬臂梁冲击响应算例  30-32
  3.2 PCB 对冲击的影响  32-40
    3.2.1 集总参数建模：双自由度模型  32-35
    3.2.2 分布参数模型  35-40
  3.3 本章小结  40-41
4 静电和冲击对微悬臂梁的作用  41-52
  4.1 微悬臂梁受到静电作用  41-44
    4.1.1 单自由度模型  41-42
    4.1.2 分布参数模型  42-44
    4.1.3 微悬臂梁静电响应算例  44
  4.2 有限元分析  44-48
    4.2.1 模型定义  45-46
    4.2.2 网格划分  46-47
    4.2.3 计算求解  47-48
  4.3 微悬臂梁受到静电力和冲击力的共同作用  48-51
    4.3.1 数学模型  49
    4.3.2 实例计算及分析  49-51
  4.4 本章小结  51-52
5 压膜阻尼效应  52-69
  5.1 能量损耗机理  52-53
  5.2 气体阻尼基础  53-54
  5.3 压膜阻尼  54-55
  5.4 压膜阻尼的模型  55-65
    5.4.1 可压缩气体模型  56-58
    5.4.2 不可压缩气体模型  58-60
    5.4.3 具体模型算例  60-65
  5.5 压膜阻尼的有限元仿真  65-67
  5.6 本章小结  67-69
6 总结与展望  69-71
  6.1 总结  69-70
  6.2 不足与展望  70-71
参考文献  71-76
攻读硕士期间发表的论文  76-77
致谢  77-78

微悬臂梁的冲击、静电和阻尼研究

内容摘要

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