面向微結構與微器件的健壯性設計理論與方法研究

《面向微結構與微器件的健壯性設計理論與方法研究》是依託同濟大學，由姜濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向微結構與微器件的健壯性設計理論與方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姜濤
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

以一種體微機械加工技術製備的音叉振動式微機械陀螺為典型研究對象，從應對微結構與器件設計、製造和使用過程的複雜多樣化為出發點，提出並建立面向微加工效應和多物理場環境效應的微結構與器件的健壯性設計方法，重點研究兩類健壯性設計問題。一是加工健壯性問題，二是在複雜環境中的健壯性問題。目標是在微機械器件結構的微小尺度條件下，一體化地考慮微機械的製造和使用過程，設計出對其多物理場耦合干涉效應和微加工效應不敏感的、僅對其系統檢測對象敏感的、具有健壯性品質特徵的微結構與器件。通過實際製作和測試改進後的微結構與器件、並結合計算機仿真系統，驗證微結構與器件健壯性設計方法和理論的有效性和實用性。項目的預期成果將對理論層面的微器件/結構的設計方法學以及工程層面的微器件/結構的量產化具有良好的推動作用。

結題摘要

微彈性梁是MEMS器件中的重要結構，也是MEMS器件在衝擊環境中的最薄弱結構。首先分析了微梁的靜電場理論及其結構變形，建立其有限元疊代求解模型；得出了微梁的靜電-結構耦合特性。進而提出了楔形動齒的梳齒驅動結構，建立了楔形梳齒模型，通過對梳齒靜電場解析，研究該結構與梳齒靜電力突變之間的關係。提出了基於靈敏度解析和回響面方法的楔形梳齒結構設計與最佳化方法。 以衝擊環境為典型複雜環境，分析了微彈性梁的抗衝擊性能及其設計要點，研究發現單獨依靠彈性梁無法承受超高強度的衝擊載荷，而採用限位結構可以提高MEMS器件的抗衝擊性能，但限位結構與MEMS結構的碰撞過程會產生撞擊應力；準剛性限位結構的防護性能很差，碰撞過程會產生極強的瞬間應力。彈性限位結構可以顯著增加限位作用時間，在將MEMS結構限制在斷裂極限形變範圍內的同時不會產生過強的接觸應力，可以大幅提高MEMS器件的抗衝擊性能。 設計了一種新型音叉振動式微機械陀螺。封裝後的微陀螺驅動和檢測頻率分別為10.24KHz、11.16KHz。裸片衝擊實驗表明，該陀螺三軸抗衝擊性能分別為15000g-X、14000g-Y、11000g-Z。進一步設計了一種具有三錨點摺疊梁的抗高衝擊微陀螺。該微陀螺在驅動質量框外的上下兩側單側均設定了四組三錨點驅動梁，從而消除了驅動迴路和檢測迴路的電磁耦合現象，提高了微陀螺的檢測精度。其次，該微陀螺的驅動彈性梁採用兩根摺疊梁並聯的方式，提高了驅動彈性梁的剛度及微陀螺的抗衝擊性能。該微陀螺所實現的三軸方向的抗衝擊性能（14000 g-X、16000 g-Y、18000 g-Z）在國內達到了很高水平，但距離國際先進水平仍有一定差距。 初步開展了環型微機械陀螺結構設計及其抗衝擊特性的研究。提出了一種參數化最佳化方法並基於APDL的自動分析及最佳化工具，以此獲得微陀螺結構的最佳化參數，從而提高了環型微陀螺的抗衝擊性能。通過LS-DYNA研究其抗衝擊性能的統計特性，分析微陀螺尺寸對於抗衝擊性能的影響。理論分析表明為了保證微陀螺的抗衝擊性能，就必須嚴格保證環型微機械陀螺檢測方向的梁的寬度不出現極大的偏差，最大允許誤差不能超過±1%。 通過實際製作和測試改進後的微陀螺、並結合計算機仿真系統，驗證微陀螺抗衝擊健壯性設計方法和理論的有效性和實用性。