靜電驅(qū)動微橋非線性動力學特性研究.pdf

1、隨著科學技術日新月異的發(fā)展和人們生活需求的不斷提高，微機電系統(tǒng)憑借自身微、精、準的優(yōu)勢，逐步替代宏觀系統(tǒng)更好地實現(xiàn)相應的功能，在愈來愈多的領域得到廣泛重用。為了微機電系統(tǒng)能夠又快又穩(wěn)的發(fā)展，必須要有扎實科學的理論知識儲備。
　　當前階段，針對應用最廣泛的靜電驅(qū)動微機電系統(tǒng)的研究，主要集中在理想設計結構的靜態(tài)特性分析和動力學特性分析上，忽略了“犧牲層腐蝕”工藝的固有缺陷。然而，為了確保微系統(tǒng)的工作性能，工藝缺陷對微結構的靜態(tài)特性、動

2、力學特性及非線性行為的影響不容忽略。本文針對靜電致動微橋系統(tǒng)的工藝缺陷問題，以真空封裝的理想微橋、微拱和微緩沖結構為研究對象，對它們的靜態(tài)吸合、動力學及其非線性行為進行理論分析，驗證本文提出的“兩側(cè)加壓雙側(cè)翹曲”結構改善含工藝缺陷微橋工作性能的可行性。
　　在兩端固支微梁橫向自由振動方程的基礎上，考慮慣性項、阻尼項、偏置電壓提供的靜電力激勵項以及幾何變形引起的非線性項，建立兩側(cè)加壓靜電致動微橋耦合系統(tǒng)的橫向振動微分方程。工藝缺陷導

3、致的幾何變形以及為了改善微橋工作性能所設計的緩沖結構，在數(shù)學模型中均表現(xiàn)為微橋的初始形函數(shù)發(fā)生改變。應用伽遼金法將離散微橋的連續(xù)體模型，得到可行的單自由度模型，對其進行多尺度攝動分析得到微橋系統(tǒng)的振動響應方程。然后，分析不同初始形態(tài)微橋固有頻率與直流偏置電壓的關系、微橋的共振頻率與初始形態(tài)控制參數(shù)的關系、微橋的幅頻響應與初始形態(tài)控制參數(shù)的關系。精簡出四種有代表性的微橋結構，分析其幅頻響應關系，得到結論:微橋結構表現(xiàn)“軟非線性”，共振頻率

4、漂移至相對更小的數(shù)值范圍;雙邊褶皺結構削弱“軟非線性”的功能性強于單邊褶皺結構。而后，以理想微橋、微拱、雙邊褶皺緩沖結構為研究對象，分析拱高和板間隙、幾何尺寸、直流偏置電壓和交流激勵電壓幅值等主要控制參數(shù)對微梁動力學特性的影響，得到結論:對于微拱結構，拱高增大或板間隙減小，其共振頻率減小，共振幅值增大，“軟化”效應增強;對于幾何尺寸不同的微梁，長梁的共振頻率較小，共振幅值和非線性行為變化不明顯，寬梁的共振幅值較大，共振頻率和非線性行為變