高g值環(huán)境典型微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及其測(cè)試技術(shù)研究.pdf

1、MEMS技術(shù)制作的微器件由于尺寸小、功耗低等特點(diǎn)，在國(guó)防、航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是在國(guó)防軍事等領(lǐng)域，各種應(yīng)用在惡劣環(huán)境下的MEMS器件正成為研究的熱點(diǎn)，如高g值(g為重力加速度)微機(jī)械加速度傳感器等。微器件的動(dòng)態(tài)特性是決定其使用性能的重要指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)是考查器件性能指標(biāo)的重要手段。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于 MEMS 器件在惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性及測(cè)試技術(shù)方面還有許多待研究的課題。 本文

2、以梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)作為典型MEMS微結(jié)構(gòu)，以其在高g值環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性為研究目標(biāo)，從理論上建立了高g值環(huán)境下微結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，研究了高g值環(huán)境下微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)并建立了測(cè)試裝置，測(cè)試了0～10,000g加速度條件下微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。 建立了高g值載荷環(huán)境下微結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，采用有限元法進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在外部高g值橫向載荷作用下，當(dāng)微結(jié)構(gòu)處于線性小變形模型時(shí)，外部載荷對(duì)其動(dòng)態(tài)特性沒有明顯影響；而當(dāng)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形處于幾何非線性

3、狀態(tài)時(shí)，在恒載效應(yīng)及應(yīng)力剛化模型下，微結(jié)構(gòu)中均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加剛度，增強(qiáng)了微結(jié)構(gòu)整體剛度，影響其動(dòng)態(tài)特性。 研制了高速離心轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了0～10,000g穩(wěn)態(tài)高g值加速度實(shí)驗(yàn)環(huán)境。建立了適用于微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試的壓電陶瓷底座激勵(lì)裝置，研究了該裝置作沖擊激勵(lì)時(shí)的輸出特性，實(shí)現(xiàn)了在高g值加速度環(huán)境下對(duì)微結(jié)構(gòu)的沖擊激勵(lì)。 由于常用的MEMS光學(xué)測(cè)試方法難以用到高g值環(huán)境微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試中，本文采用在微懸臂梁上集成壓阻敏感元件，通過敏感元

4、件測(cè)試微結(jié)構(gòu)受激勵(lì)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，解決了高g值加速度環(huán)境下微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)問題。采用了一種濕法和干法結(jié)合的體硅微機(jī)械加工流程，制作了典型梁-質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)試件。 采用高g值環(huán)境微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，完成了0～10,000g穩(wěn)態(tài)加速度環(huán)境下典型梁-質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)處于線性小變形及大變形幾何非線性狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)得了微結(jié)構(gòu)的諧振頻率等動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)?shù)湫土?質(zhì)量塊微結(jié)構(gòu)受到外部高g值載荷作用，結(jié)構(gòu)處于線性小變形時(shí)，微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)