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MEMS扭转微镜的力学特性分析

作　者: 陆静
导　师: 齐辉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 固体力学
关键词: 扭转微镜边缘效应迭代修正齐次扩容精细积分力学特性微机电系统
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

微机电系统(MEMS)自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。MEMS(Micro Electromechanical System)，即微机电系统，是指采用微机械加工技术可以批量制作的集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。目前，MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域，其主要对象包括微驱动器、微执行器和微传感器，并逐步向微光学、微机器人、微气动、微液压等方向发展。扭转微镜是近年来随着MEMS技术的发展而逐渐得到广泛应用的一种微型光学器件，在现代光学通讯、光计算、投影显示、高清晰度电视等方面有着十分广泛的应用。本文比较了两种扭转微镜的模型——仅考虑扭转变形的模型和扭转—弯曲耦合变形的模型，通过与文献中试验数据的比较可知耦合模型更为合理。在静电力的计算中充分考虑了边缘效应的影响，对微镜的静电力进行了修正，并采用修正后的静电力来计算微镜的驱动力(力矩)。由于考虑了边缘效应，微镜动力学方程中的激励项变得非常复杂，无法求出其解析表达式，因此本文采用数值积分来计算动力学方程中的激励项。通过比较证明本文所提出的数值计算方法具有较高的精度，完全可以用于实际计算。本文利用耦合模型考察了边缘效应对微镜的静态特性和吸和特性的影响，并采用迭代修正齐次扩容精细积分法求解动力学方程，分析了在阶跃载荷下边缘效应对微镜动态特性的影响，并讨论了影响微镜边缘效应的主要因素。最后，本文简单地分析了阻尼对微镜动态特性的影响，并对正弦激励下的微镜进行了数值模拟。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 选题的目的和意义  10-15
    1.1.1 MEMS概述  10-13
    1.1.2 选题的目的和意义  13-15
  1.2 课题的发展状况  15-18
    1.2.1 MEMS的国内外研究概况  15-16
    1.2.2 扭转微镜的国内外研究概况  16-18
  1.3 课题研究内容  18-20
    1.3.1 扭转微镜的工作原理  18-19
    1.3.2 课题研究内容  19-20
第2章迭代修正齐次扩容精细积分法  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 齐次扩容精细积分法  20-24
    2.2.1 精细积分法  20-22
    2.2.2 齐次扩容精细积分法  22-24
  2.3 迭代修正齐次扩容精细积分法  24-30
    2.3.1 非线性动力方程的齐次扩容精细积分法  24-26
    2.3.2 迭代修正齐次扩容精细积分法  26-28
    2.3.3 数值算例  28-30
  2.4 本章小结  30-32
第3章微镜力学模型及数值计算方法  32-50
  3.1 扭转微镜系统中的力学问题  32-35
    3.1.1 机械振动  32-33
    3.1.2 静电力的尺度效应  33-34
    3.1.3 微结构梁的静态变形分析  34-35
  3.2 不考虑边缘效应时微镜的力学特性分析  35-41
    3.2.1 微镜力学模型  35-36
    3.2.2 两种模型的静态特性比较  36-39
    3.2.3 两种模型的动态特性比较  39-41
  3.3 微镜的边缘效应  41-45
    3.3.1 平行板电容的边缘效应  41-42
    3.3.2 考虑边缘效应时的微镜模型  42-45
  3.4 数值积分法近似计算驱动力  45-49
    3.4.1 Romberg数值积分法  45-48
    3.4.2 用 Romberg数值积分法计算驱动力的比较  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章计及边缘效应的扭转微镜力学特性分析  50-71
  4.1 微镜静态特性分析  50-57
    4.1.1 边缘效应对微镜静态特性的影响  50-56
    4.1.2 影响微镜静态特性的因素  56-57
  4.2 边缘效应对微镜吸合特性的影响  57-59
    4.2.1 微镜吸合特性  57-58
    4.2.2 边缘效应对微镜吸合特性的影响  58-59
  4.3 微镜动态特性分析  59-69
    4.3.1 边缘效应对微镜动态特性的影响  59-64
    4.3.2 阶跃激励下微镜的动态响应特性  64-67
    4.3.3 微镜的正弦激励响应特性  67-69
  4.4 本章小结  69-71
结论  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  76-77
致谢  77-78
个人简历  78

MEMS扭转微镜的力学特性分析

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