微机电系统微传感器的结构分析和优化研究

【摘要】微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems),即MEMS,是涉及到机械、电子、流体力学、热力学、材料力学、生物学等多学科的交叉领域,它是微电子系统与其他可以进行信息或能量传输、转换的系统相结合的产物。微梳齿谐振器是一种经典的MEMS器件,由于其能实现机械能和其他能量的转换,可以在从1KHz-1MHz频率范围内产生较大的振幅,设计灵活等优点,被广泛的应用于各个领域,如汽车安全气囊、小卫星、磁头驱动器等,因此对微梳齿谐振器的结构分析和优化设计的研究,以及对MEMS器件的开发应用具有重要意义。本文围绕微梳齿谐振器和微带通滤波器的工作原理、结构分析和优化以及空气阻尼对其动态特性的影响等方面展开研究,旨在建立和完善MEMS传感器结构的优化分析技术。针对微梳齿谐振器的工作原理的介绍,包括对其结构的分析、静电驱动原理和动力学原理的解析,为后续的微谐振器的动态分析和建立系列化微谐振器器件的动态特性分析求解程序提供了理论依据。针对微梳齿谐振器结构优化分析的研究是建立在微谐振器结构参数化的基础上,通过ANSYSWorkbench分析结构参数对谐振频率的影响,为参数化的目标优化设计提供了参考和依据,通过模态分析和谐响应分析,获得共振频率、主振型、幅频、相频曲线等相关振动特性。采用APDL编程分析研究了微梳齿谐振器在受到空气阻尼时的动态特性,程序建立在对微谐振器结构和功能的分析上,通过添加条件和约束建立程序模型,采用不同的有限元单元类型代替微梳齿谐振器不同的功能部件,其中采用FLUID139单元类型设置空气阻尼模型,最后通过分析结果数据总结出空气阻尼对微梳齿谐振器振动的动态特性影响,与其他方法相比,此方法快速、实用、适应性好。基于微梳齿谐振器结构分析和优化方法的总结对微带通滤波器进行优化分析,并比较了其动态特性在优化前后的明显改善。本文主要以微梳齿谐振器的结构分析和优化设计为例,为MEMS微传感器的结构分析和优化设计提供了一种系统化分析模式,对MEMS领域的微传感器结构的优化设计工作有一定的参考价值。
【作者】于京明；
【导师】孟婥；
【作者基本信息】东华大学，机械电子工程，2013，硕士
【关键词】MEMS；微梳齿谐振器；目标优化设计；APDL；空气阻尼；

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