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微固支梁在冲击载荷下的响应研究?【摘要】??MEMS器件商用化最大的障碍是技术供应商在可制造性、可测试性、器件可靠性等方面的解决方案能力不足。MEMS的各基础构件及最重要的可动结构部分均属于机械系统的范畴，因此，研究微结构在振动和冲击下的响应规律与特性，从而尽可能地控制、避免并消除振动和冲击带来的危
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微固支梁在冲击载荷下的响应研究
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【摘
要】?
?MEMS器件商用化最大的障碍是技术供应商在可制造性、可测试性、器件可靠性等方面的解决方案能力不足。MEMS的各基础构件及最重要的可动结构部分均属于机械系统的范畴，因此，研究微结构在振动和冲击下的响应规律与特性，从而尽可能地控制、避免并消除振动和冲击带来的危害，成为对MEMS性能及可靠性研究的重要内容。微固支梁是MEMS中的一种基本的可动结构，本文即是以微固支梁这种基本结构作为对象来研究其在冲击载荷下的响应，分别为其在冲击载荷下的响应及行为特性进行理论及计算分析，并且通过改变梁的尺寸和载荷大小来得到微固支梁的响应规律，为避免和减少冲击带来的伤害及进行相关的可靠性试验提供了理论基础。
【关键词】微机电系统
?微固支梁
冲击载荷
响应
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1
绪论
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随着MEMS制造技术的发展，MEMS逐渐成为精密工业中不可或缺的部分。本章介绍MEMS技术的概念特征、加工技术、应用和国内研究现状及制约其发展的因素，讨论微固支梁结构在MEMS中的应用，最后提出本课题的研究背景和主要内容。
1.1?
MEMS概述
1.1.1?
MEMS的定义和组成
MEMS是融合了硅微加工、LIGA（光刻、电铸和塑铸）和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。它在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术，它包括感知外界信息（力、热、光、磁、电、声等）的传感器和控制对象的执行器，以及进行信号处理和控制的电路。MEMS器件和传统的机器相比，具有体积小、重量轻、耗能低、温升小、工作速度快、成本低、功能强、性能好等特点
完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。
1.1.2
MEMS技术的发展
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。手持式设备制造商正在逐渐意识到MEMS的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸，而且开始转向成功的MEMS公司，其所实现的成本削减幅度之大，将影响整个消费类电子世界，而不仅是高端。制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。
但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上，大多数消费类电子产品所用MEMS元件的性能比已经出现的同类技术大有提高。虽然MEMS过去只限于汽车、工业和医疗应用，但据调查公司估计：“MEMS消费类电子产品的销售额将在2005年前达到15亿美元”。
1.1.3
MEMS可靠性概述
?可靠性的定义比较多，GJB
451A[2]的定义为：可靠性指产品在规定的条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。此定义中包含产品、规定的条件、规定的时间以及规定功能四个要素，并指出可靠性的特点是产品的一种能力。在现代产品的设计中，可靠性已成为与性能同等重要的设计要求，提高可靠性可以提高产品的性能、生存寿命，降低产品的维修费用等，可靠性测试已成为产品出厂的必要检测项目。
可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。它的作用是通过对试验结果的统计分析和实效（故障）分析，评价产品的可靠性，找出可靠性的薄弱环节，推荐改进建议，以便提高产品的可靠性。环境试验严格上讲并不属于可靠性试验范畴，它是考核产品对环境条件的适应性问题，但是在系统或设备的可靠性验证试验开始以前，必须对元器件、零部件及设备完成环境试验。环境试验的目的主要就是检查产品特别是在特殊环境和恶劣环境条件下工作的产品对环境条件的适应能力。从实验室和现场得到的数据及从国外得到的数据说明，各种环境因素均能引起产品失效，但是对于大多数产品在大多数情况下影响最大的环境因素是温度、振动、潮湿。如果产品对这几个主要环境因素适应性好，就可以把失效率减小90%。
MEMS以小著称，可达到纳米级，这样对机械系统的灵敏度、性能要求更加高，因此在振动条件下研究MEMS就尤为重要。
1.1.4研究现状和发展趋势
目前MEMS器件已经在很多领域都有广泛的应用，与其他产业相比，其产量却十分有限，而造成这种商业化瓶颈的主要原因是技术供应商在MEMS器件的可制造性、可测试性、可靠性等方面的解决方案能力不足。鉴于MEMS器件的门类、品种繁多、所用的敏感材料各异以及MEMS制造技术的多样性和复杂性，本论文则主要针对两种典型的MEMS器件(RF
MEMS开关与电容式MEMS压力传感器)进行相关的研究，为MEMS器件更进一步的发展提供技术的积累。
电容式RF
MEMS
开关的商业化一直受阻于可靠性问题：开关电介质的充电效应引起开关致动部件的粘连现象。本文中，为了研究开关电介质的充放电机制，我们建立一个新的基于金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的理论模型。在不影响开关性能的前提下，主
要从以下这两方面来研究减少开关电介质的的电荷积累：(1)减少电荷的注入；(2)提高电荷在电介质中的复合速度。实验中，采用三个实验方案来减少电介质中的电荷积累：①设计电压致动波形以中和注入电介质中的正负电荷；②通过对电介质层掺杂创造电荷复合中心，加速注入电荷的弛豫过程；③制备复合介质薄膜，创造界面电荷复合机制，加速注入电荷的消逝。期望该研究工作能为提高电容式RF
MEMS开关的可靠性提供理论支撑和技术积累。
同样的，MEMS器件的研究进展也离不开其工程测试技术的提高。近年来，随着MEMS技术的迅速发展，从客观上要求测试仪器向自动化、智能化方向发展。本论文提出一套基于虚拟仪器、数据采集卡和图形化编程语言LabVIEW的MEMS压力传感器测试系统的构建方案。其工作原理为：以计算机为控制中心，通过设定恒温的测试环境，采用数据采集卡对信号进行动态采集，最后利用LabVIEW工具包数据处理模块进行数据的处理、显示以及报表打印，从而最终达到自动测量传感器的目的。该系统可实现信号的采集、处理和发送，解决了复杂的现场连线，并且具有成本低、实用性强、移植性好等优点。目前，MEMS器件商用化最大的障碍是技术供应商在可制造性、可测试性、器件可靠性等方面的解决方案能力不足。传统来说，MEMS开发更多的是聚焦在MEMS器件上：如加速器、射频开关、压力传感器等等，而不是通过将MEMS和ASIC(Application
Specific
Intergrated
Circuits即专用集成电路)相结合来制造更紧凑、更智能并显著降低成本、适于大批量生产的MEMS产品。因此，必然会阻碍MEMS产品质量的提高和技术的发展。造成这种状况的原因，一方面是产品技术的先进性，需要一定程度的保密性；另一方面，MEMS技术是一门多学科跨行业的技术，产品本身的结构复杂，其接口界面多样，产品结构可以以元器件、组件、仪器设备等形式出现，制定和执行标准都很困难。因此对MEMS器件多方面的深入研究是非常必要的。
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1.2研究内容
下面第二章首先介绍振动的理论，特点，而振动又分为无阻尼振动和有阻尼振动，在此论文中，第二章主要介绍的无阻尼的振动。在第三章中主要是计算微固支梁在外力作用下会有哪些改变以及微固支梁梁的谐响应分析结果和微固支梁的瞬态动力学分析结果，计算并得到规律！双端固支梁是微机电系统的基本结构之一，对其进行研究对于MEMS具有重要意义，由于实验条件，论文主要对微固支梁在振动条件下的宏观理论研究，以求其响应规律。
基于以**路，本论文包括以下章节：
第一章，绪论。本章介绍了MEMS技术的概念特征、加工技术、应用以及国内研究现状。通过介绍可靠性技术以及作为MEMS典型器件的微纳谐振器的主要技术特点，得出了研究微固支梁在振动条件响应规律的重要性和必要性。
第二章，微固支梁的振动理论。本章介绍振动理论研究的目的、内容和方法，通过振动理论的概述对微固支梁的振动进行理论研究。
第三章，微固支梁的动力分析及仿真分析。本章主要通过对微固支梁的自由运动方程求解来获取固支梁的自振频率和振型，并通过振型叠加法来求取微固支梁在振动条件下的响应规律。
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2
振动理论
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振动，是动力系统或更具体说是机械系统在其平衡位置附近的往复运动，而冲击，是系统在瞬态或脉冲激励下的运动。在许多情况下，振动和冲击现象是有害的，它影响机械设备的工作性能和寿命，产生有损于结构的动载荷和不利于工作的噪声，严重时导致零部件的失效和破坏。
MEMS的各基础构件及最重要的可动结构部分均属于机械系统的范畴，因此，研究微结构在振动和冲击下的规律与特性，从而尽可能地控制、避免并消除振动和冲击带来的危害，成为对MEMS性能及可靠性研究的重要内容。本章以微振动，是动力系统或更具体说是机械系统在其平衡位置附近的往复运动，而冲击，是系统在瞬态或脉冲激励下的运动。在许多情况下，振动和冲击现象是有害的，它影响机械设备的工作性能和寿命，产生有损于结构的动载荷和不利于工作的噪声，严重时导致零部件的失效和破坏。MEMS的各基础构件及最重要的可动结构部分均属于机械系统的范畴，因此，研究微结构在振动和冲击下的规律与特性，从而尽可能地控制、避免并消除振动和冲击带来的危害，成为对MEMS性能及可靠性研究的重要内容。本文以微固支梁这个MEMS系统中最基础的结构为例，对其在振动及冲击下的响应及行为特性进行理论及仿真分析，为之后的可靠性实验提供有力的理论依据。
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2.1结构动力问题的特点
结构动力学的内容之一是研究结构的动力响应。所谓动力响应是指结构在广义动力荷载荷作用下的结构位移和内力响应，而广义动力荷载包括动力激励和动位移激励。动力荷载指荷载的大小和方向（有时包括作用位置）随时间而变化的荷载。在动力荷载的作用下，结构的位移和内力随时间而不断变化，并且结构产生振动速度和加速度！
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2.2
无阻尼系统自由振动分析
进行无阻尼自由振动分析的关键，在于得到系统的固有振动特性，包括得到系统的固有频率和固有振动形式。只有充分了解结构自身的振动特性，才能有效地进行结构振动的预报与控制。
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结论
经过近4个月的学习、研究、设计和分析，在黄玉波老师的指导下顺利完成了微固
支梁在冲击载荷下的响应研究，现将理论工作总结如下：
1.在对设计方案进行初步分析的阶段，通过查阅相关资料，对MEMS的作用有一定了解并对MEMS概念、基本特征和应用有了确切的认识，在此基础上确定了研究MEMS的意义。
2.文献资料对产品的可靠性进行阐述，认识了机械系统中振动是影响其效率的最大环境因素之一，也得出了研究微固支梁在振动条件下响应规律的重要性和必要性。
3．对振动理论的系统阐述，研究宏观理论下微固支梁的横向振动方程，并通过求其自由振动运动方程解，得出了微固支梁的自振频率和振型，最后应用实际数据通过计算所得的自振频率方程算出不同长度梁在不同阶数下的固有频率，并总结出微固支梁在冲击载荷下的响应规律。
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