基于空耦超声激励的MEMS微结构模态测试方法研究
随着MEMS器件在各个领域中广泛应用，对微结构进行模态测试获得其动态特性参数对微结构的设计、仿真、制造、以及质量控制和评价等方面具有十分重要的意义。考虑到微结构具有尺寸小、固有频率高、振幅小等特点，且应用于不同环境中，因此，本文针对在高温 20~300℃环境下对单晶硅和 304 不锈钢等截面矩形微悬臂梁进行模态测试，提出了基于空耦超声激励的方法，从理论分析、模拟仿真和实验测试三个方面研究了微悬臂梁固有频率与温度之间的变化关系。 针对典型的等截面矩形微悬臂梁，本文建立了其固有频率的温度系数模型，从模型中可以看出，影响微悬臂梁固有频率改变的根本原因是随着环境温度的改变微悬臂梁尺寸和弹性模量的改变。 对于非接触、非破坏和具有较大激振带宽的理想激励方法，本文提出了基于空耦超声激励的方法，研究了该激励方法的原理，且采用激光多普勒测振仪来检测振动信号。通过电阻加热的方法实现了微结构在 20~300℃高温环境下的激励，搭建了基于空耦超声激励的实验装置。 采用 SolidWorks 软件对单晶硅和 304 不锈钢微悬臂梁进行 3D 建模，再用ANSYS软件对这两种材料的微悬臂梁进行仿真测试，获得在20~300℃下的前三阶固有频率，可知微悬臂梁的固有频率随温度的升高而减小，并呈现近似线性关系。 利用所搭建的基于空耦超声激励的MEMS微结构模态测试系统在20~300℃的温度下对单晶硅和304不锈钢微悬臂梁的动态特性进行了实验测试，获得微悬臂梁的前三阶固有频率。分析了仿真值与实验值之间的误差原因。实验结果表明微悬臂梁的固有频率随着温度的升高而降低，且相对固有频率温度系数与仿真值和理论值相近，证实了微悬臂梁固有频率随温度变化的根本原因是材料的热膨胀系数和弹性模量温度系数。
激光多普勒测振仪;空耦超声激励;微结构;模态测试
渤海大学
硕士
检测技术与自动化装置
佘东生
2021
中文
TH825
2023-09-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）