MEMS器件的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與分析.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystem,MEMS)是目前一個(gè)新興的學(xué)科交叉領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，是未來(lái)世界科學(xué)的研究重點(diǎn)。最近幾年，MEMS的發(fā)展非常迅速，隨著MEMS器件越來(lái)越復(fù)雜，MEMS器件的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也隨之復(fù)雜化，其中更是涉及到粘附效應(yīng)問(wèn)題。
　　本論文主要針對(duì)兩種典型MEMS器件(懸臂梁式微電子加速度計(jì)和振動(dòng)輪式微陀螺儀)建立其系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析其動(dòng)力學(xué)特性，并以懸臂梁式微電子加

2、速度計(jì)為例，考慮其粘附效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，分析產(chǎn)生粘附效應(yīng)的物理機(jī)理以及尺寸設(shè)計(jì)對(duì)粘附的影響。
　　首先簡(jiǎn)要分析了一般微電子加速度計(jì)的工作原理，以叉指式微電子加速度計(jì)為例分析其工作原理，檢測(cè)系統(tǒng)及靜電反饋系統(tǒng)。建立了懸臂梁式微電子加速度計(jì)的實(shí)體模型，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析以及靜電-結(jié)構(gòu)耦合分析，考慮不同設(shè)計(jì)尺寸條件下器件的靈敏度特性，在瞬時(shí)激勵(lì)下的位移和應(yīng)力響應(yīng)情況，并分析了靜電力對(duì)器件性能的影響。

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　　其次從理論上分析了使MEMS器件產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的因素，并分別討論了各種力作用下使構(gòu)件產(chǎn)生粘附的物理機(jī)理，以微懸臂梁加速度計(jì)為例，考慮其在表面張力作用下發(fā)生粘附現(xiàn)象時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，根據(jù)造成粘附現(xiàn)象所需條件推導(dǎo)出懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)公式。
　　最后由典型的振動(dòng)輪式微陀螺的動(dòng)力學(xué)模型得到實(shí)際振動(dòng)輪式微陀螺的簡(jiǎn)化模型，并設(shè)計(jì)了一種典型的振動(dòng)輪式微陀螺，利用簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)出典型微陀螺的運(yùn)動(dòng)微分方程，通過(guò)MATLAB計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)