学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

微悬臂梁机电系统的动力学特性研究

作　者: 武洁
导　师: 张文明
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 微机电系统微悬臂梁梳状谐振器原子力显微镜
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 74次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

微机电系统(MEMS)是一门多学科交叉的综合科学,MEMS动力学作为其中的重要分支,主要研究微系统在各种力作用下运动状态的定性和定量的变化规律,现如今已逐渐成为一个新的研究领域和研究方向。微悬臂梁是MEMS器件中最典型的结构,也是机电耦合的关键元件,其动力学特性直接影响了系统的设计和性能。本文主要对微悬臂梁机电耦合系统的动力学特性进行了研究。首先研究了MEMS阻尼特性,应用一维N-S方程和简化的雷诺方程,建立了滑膜阻尼和压膜阻尼模型,得到了相应的阻尼系数。采用数值仿真和有限元模拟仿真相结合的方法,对理论结果进行了分析,并指出各模型适用范围。接下来研究了微悬臂梁系统动力学特性,建立了静电驱动力和压膜阻尼力下的系统连续模型和动力学方程,应用非线性振动分析方法(KBM法、IHB法),分析了不同结构参数对系统静态位移、固有频率、自由振动和受迫振动动态响应的影响。基于阻尼特性和微悬臂梁动力学特性分析,研究了横向振动微梳状谐振器动力学特性,建立了系统动力学模型,应用ANSYS有限元仿真和数值仿真,分析了谐振器的固有频率、梳齿电容、幅频特性和品质因子等系统性能参数。研究了随机噪声激励下轻敲式原子力显微镜的动力学特性,建立了Lennard-Jones力场作用下的针尖-样品物理模型和系统动力学方程,应用数值分析方法和分岔理论,研究了随机扰动强度、材料特性参数和弯月面接触角对AFM针尖-样品耦合系统动力学行为的影响规律。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 MEMS 的基本概念和特征  11-13
    1.2.1 MEMS 的基本概念  11-12
    1.2.2 MEMS 的基本特征  12-13
  1.3 MEMS 动力学研究现状  13-17
    1.3.1 MEMS 阻尼研究现状  14
    1.3.2 微梁结构MEMS 动力学研究现状  14-17
  1.4 本文主要工作及框架  17-19
第二章微悬臂梁  19-33
  2.1 滑膜阻尼  19-23
    2.1.1 Couette 流模型  20
    2.1.2 Stokes 流模型  20-21
    2.1.3 考虑边界滑移模型  21-23
  2.2 压膜阻尼  23-26
    2.2.1 长条矩形板压膜阻尼  23-24
    2.2.2 普通矩形板压膜阻尼  24
    2.2.3 考虑气体压缩性压膜阻尼  24-26
  2.3 仿真及结果分析  26-31
    2.3.1 滑膜阻尼  26-28
    2.3.2 压膜阻尼  28-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章微悬臂梁非线  33-55
  3.1 微悬臂梁机电流体耦合模型建立  33-36
  3.2 微悬臂梁机电流体耦合自由振动分析  36-41
    3.2.1 静态位移求解  37-38
    3.2.2 模态分析  38-39
    3.2.3 动态响应求解  39-41
  3.3 微悬臂梁机电流体耦合受迫振动分析  41-44
  3.4 数值仿真及结果分析  44-53
    3.4.1 静态位移分析  44-46
    3.4.2 模态分析  46-47
    3.4.3 自由振动分析  47-52
    3.4.4 受迫振动分析  52-53
  3.5 本章小结  53-55
第四章横向振动微梳状谐振器动力学分析  55-74
  4.1 横向微梳状谐振器结构和工作原理  55-56
  4.2 微梳状谐振器静电力分析  56-59
    4.2.1 无限大平板模型  57
    4.2.2 考虑边缘效应的模型  57-58
    4.2.3 考虑加工制造误差的模型  58-59
  4.3 空气阻尼分析  59-63
    4.3.1 谐振器可动部分与基底间的滑膜阻尼  60
    4.3.2 谐振器可动部分上方的滑膜阻尼  60-61
    4.3.3 可动梳齿与固定梳齿间的滑膜阻尼  61
    4.3.4 可动梳齿端面的阻尼  61-62
    4.3.5 可动部分侧面的滑膜阻尼  62-63
  4.4 微梳齿谐振器动力学方程  63-64
  4.5 结果分析  64-72
    4.5.1 模态分析  64-66
    4.5.2 梳齿电容分析  66-68
    4.5.3 幅频特性分析  68-70
    4.5.4 品质因子分析  70-72
  4.6 本章小结  72-74
第五章轻敲式原子力显微镜非线性动力学分析  74-91
  5.1 原子力显微镜工作原理  74-75
  5.2 动力学模型建立  75-82
    5.2.1 有界噪声模型  75-76
    5.2.2 弯月面力模型  76-78
    5.2.3 Lennard-Jones 力场  78-80
    5.2.4 系统动力学模型  80-82
  5.3 数值仿真结果及分析  82-89
    5.3.1 随机扰动强度  83-85
    5.3.2 材料特性参数  85-87
    5.3.3 弯月面接触角  87-89
  5.4 本章小结  89-91
第六章总结与展望  91-93
  6.1 本文总结  91-92
  6.2 展望  92-93
参考文献  93-99
致谢  99-101
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  101

微悬臂梁机电系统的动力学特性研究

内容摘要

全文目录

相似论文