超磁致伸縮微機械懸臂梁系統(tǒng)的理論研究.pdf

1、微機械多層懸臂梁在現(xiàn)代物理學與材料學中占有舉足輕重的地位。隨著器件的微型化和小型化進程的逐步推進,它在磁共振力顯微鏡以及各類微機.電器件中得到了廣泛的應用。近年來,超磁致伸縮材料的成功制備為新一代非接觸驅(qū)動微機-電系統(tǒng)(MEMS)器件的研發(fā)提供了可靠的基礎材料。超磁致伸縮薄膜-襯底懸臂梁系統(tǒng)在磁性微機-電(MAGMEMS)器件中的廣泛應用,使其成為MEMS中十分重要的元件之一。然而,超磁致伸縮薄膜-襯底懸臂梁系統(tǒng)的理論研究一直處于滯后狀

2、態(tài),而且一些基礎問題的討論尚存在較大的爭議。本文主要研究磁致伸縮微機械多層懸臂梁系統(tǒng)的彎曲和扭轉(zhuǎn)等問題的基本理論,并在此基礎上進一步討論體系在MEMS器件中的應用與優(yōu)化問題。 首先,以能量極小原理和與之等價的力學平衡方程理論為基礎,提出了建立在四參數(shù)彎曲機制上的薄膜-襯底多層懸臂梁系統(tǒng)的一般性理論。該理論適用于任意點荷載下,具有任意薄膜/襯底厚度比懸臂梁系統(tǒng)的彎曲問題。借助于平衡方程,我們導出了懸臂梁彎曲、扭轉(zhuǎn)和負載等問題的解析

3、解。在此基礎上,將各向同性以及各向異性膨脹引起的懸臂梁彎曲問題納入統(tǒng)一的理論框架中。 其次,利用我們提出的理論重點研究了磁各向同性超磁致伸縮雙層及三層懸臂梁體系的彎曲和負載特性。結(jié)合材料的物理參數(shù)與幾何參數(shù),具體討論了懸臂梁體系在傳感器和執(zhí)行器等微機-電器件中的應用優(yōu)化問題,給出了器件應用的最佳條件,并且修正了現(xiàn)行理論給出的一些不正確結(jié)果。部分數(shù)值結(jié)果與最近的實驗及有限元模擬結(jié)果進行了比較,結(jié)果符合得很好。因而說明我們提出的懸臂

4、梁理論是合理的。 再次,結(jié)合磁化反轉(zhuǎn)理論,利用懸臂梁系統(tǒng)四參數(shù)模型研究了具有磁單軸各向異性的磁致伸縮薄膜-襯底懸臂梁系統(tǒng)的彎曲和扭轉(zhuǎn)效應?？紤]相對較軟的襯底,在模型中忽略了懸臂梁的機械阻尼,因此體系的彎曲和扭轉(zhuǎn)過程完全取決于磁化強度翻轉(zhuǎn)過程。根據(jù)此模型計算得到的扭轉(zhuǎn)回線與最近的實驗結(jié)果基本符合,說明我們的理論可以有效地描述由磁單軸各向異性控制的懸臂梁體系的彎曲和扭轉(zhuǎn)效應。當外磁場大于薄膜的矯頑力時,在其難磁化軸附近懸臂梁的扭轉(zhuǎn)角

5、對磁場方向的變化極其敏感,此特性可以用于提高磁致伸縮MAGMEMS器件的靈敏度。這一結(jié)果與Tiercelin等人的理論猜想和實驗結(jié)果一致,從而進一步闡明我們提出的模型是合理的。 最后,以四參數(shù)懸臂梁彎曲理論為基礎,研究了厚膜超磁致伸縮復合材料與非磁襯底耦合構(gòu)成的懸臂梁系統(tǒng)。對于此類厚膜,其磁致伸縮應變往往存在沿厚度方向的梯度,為此,我們引用了最近描述薄膜中的剩余應力及其梯度的多項式展開方法,首次給出描述厚膜超磁致伸縮懸臂梁系統(tǒng)的