微悬臂梁的冲击、静电和阻尼研究

【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。
【作者】李向光；
【导师】王志斌；黄钦文；
【作者基本信息】中北大学，光电子技术与仪器，2014，硕士
【关键词】MEMS；微悬臂梁；机械冲击；静电驱动；压膜阻尼；

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