微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

Dynamics problems of micro/nano channel resonators for detection and characterization

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

硅微机械谐振陀螺仪的非线性分析

给出了硅微机械谐振陀螺仪的结构,介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,详细推导并给出了陀螺仪的输出频率和标度因数非线性的计算公式;基于影响谐振陀螺仪标度因数的参数,分析了由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微机械谐振陀螺仪的非线性特性,给出了振动幅度与谐振频率关系的表达式.实验结果表明,陀螺仪的整体性能主要取决于谐振器振动幅度的稳定性.     

一种高灵敏度低噪声硅微谐振式加速度计

MEMS加速度计经过近四十年的发展,是目前产业化最为成功、应用最为广泛的MEMS器件之一。以硅微机械谐振器作为敏感元件的谐振式MEMS加速度计因具有检测精度高、线性度好、量程大、抗环境噪声能力强等优点,成为新一代高性能MEMS加速度计的重要发展方向。针对微小型无人平台的长时惯性导航、姿态测量等需求,设计了一种具有增敏结构的硅微谐振式加速度计,通过改进微杠杆转轴与惯性质量块支撑梁的几何形状并利用有限元仿真方法进行参数优化,在不增加芯片面积的前提下有效提升了器件灵敏度。器件设计量程±50 g,采用集成圆片级真空封装的SOI-MEMS工艺制造并配套设计了基于0.35 mm工艺的接口ASIC电路用于实现加速度计的闭环工作。所研制的原理样机测试表明,加速度计敏感谐振器品质因数为29300,灵敏度630.81 Hz/g,噪声≤1.7μg/■,零偏不稳定性(Allan方差)≤2.3μg。     

微梳齿谐振器故障的动态仿真

研究微梳齿谐振器运动中的故障问题,建立了微梳齿结构的三维动力学模型,其中采用Couette模型和Stokes模型相组合的空气阻尼模型;运用有限元方法,分别对带有点粘结、梁裂纹的微梳齿结构进行了动力学特性分析.结果表明:粘结故障使梳齿结构固有频率升高,振幅减小,灵敏度降低.裂纹使微机械结构的固有频率和灵敏度都降低.     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能.针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法.集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的...     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点.提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证.所设计加速度计的谐振频率约29 kHz,标度因数为95 Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%.经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振嚣原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大.     

0.3 ng/Hz~(1/2)超高灵敏度MEMS加速度计研究进展

采用微纳加工工艺制备了硅基微机电(MEMS)超高灵敏度加速度计,并针对超高灵敏度MEMS加速度计进行了结构设计及仿真。通过独特自主的体硅一体化刻穿工艺加工出MEMS加速度计敏感结构,测得MEMS加速度计噪声谱密度在1 Hz处为0.3 ng/Hz~(1/2),46 h偏值稳定性为740 ng,量程1 mg,带宽10 Hz,抗随机振动可达8 g(RMS),抗冲击过载1000 g。相比于传统的高精度加速度计,本文提出的基于微纳加工工艺的硅基超高灵敏度MEMS加速度计体积小、重量轻、环境适应性强,具有可批量化生产和成本低的优势,有望用于对灵敏度有较高要求的微震测量、微重力环境应用、空间探测等领域。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

考虑表面效应的双层圆板的自由振动分析

考虑微生化传感器中谐振器的结构特点,基于Kirchhoff薄板理论与表面弹性理论推导了考虑表面效应的双层圆板的自由振动方程.使用伽辽金法得到了近似解.分析了硬化与软化表面效应与表面残余应力对双层圆板固有频率的影响.结果表明,与已有简化的单层圆板模型相比,现有考虑表面效应的双层板模型会得到与之不同的固有频率.随着板厚与上...     

Dynamic analysis of a dielectric elastomer-based microbeam resonator with large vibration amplitude

A non-linear vibration equation with the consideration of large amplitude, gas damping and excitation is developed to investigate the dynamic performance of a dielectric elastomer (DE)-based microbeam resonator. Approximate analytical solution for the vibration equation is obtained by applying parameterized perturbation method (PPM) and introducing a detuning variable. The analysis exhibits that active tuning of the resonant frequency of the resonator can be achieved through changing an applied electrical voltage. It is observed that increasing amplitude will increase the natural frequency while it will decrease the quality factor of the resonator. In addition, it is found that the initial pre-stretching stress and the ambient pressure can significantly alter the resonant frequency of the resonator. The analysis is envisaged to provide qualitative predictions and guidelines for design and application of DE-based micro resonators with large vibration amplitude.     

A resonant micro accelerometer based on electrostatic stiffness variation

A new out-of-plane resonant micro-machined accelerometer has been designed, modelled and fabricated. The sensing principle is based on the variation of the electrostatic stiffness of two torsional resonators mechanically coupled with an inertial proof mass. The accelerometer, fabricated by the ThELMA^® surface micro-machining process of STMicroelectronics, constitutes a further step of a research focussing on the design of in-plane and out-of-plane resonant micro accelerometers. Preliminary electrostatic measures of the torsional resonators response have been compared with the theoretical predictions.     

Multi-Field Coupled Dynamics for a Micro Beam

This paper proposes a multi-field coupled dynamics equation for a micro beam. The natural frequencies and the amplitude–frequency relationship of the micro beam in the coupled fields are investigated. Changes in the natural frequencies of the micro beam along with time, bias voltage, and dynamic viscosity of gas are discussed. The effects of the system parameters on the amplitude–frequency relationship are investigated. A number of useful results are obtained. These results are useful in the sensitivity design of resonant micro gas sensors excited by the electrostatic force.     

Coupled vibrations and frequency shift of compound system consisting of quartz crystal resonator in thickness-shear motions and micro-beam array immersed in liquid

The dynamic characteristics of a quartz crystal resonator(QCR) in thicknessshear modes(TSM) with the upper surface covered by an array of micro-beams immersed in liquid are studied. The liquid is assumed to be inviscid and incompressible for simplicity. Dynamic equations of the coupled system are established. The added mass effect of liquid on micro-beams is discussed in detail. Characteristics of frequency shift are clarified for different liquid depths. Modal analysis shows that a drag effect of liquid has resulted in the change of phase of interaction(surface shear force), thus changing the system resonant frequency. The obtained results are useful in resonator design and applications.     

氧化铝多孔膜振动性能的实验研究

电化学氧化法制备的氧化铝多孔膜有六角规则密排的纳米孔,其优良的结构特点使其具有良好的用途,可应用于微粒物质分离,氧化剂的载体,微电子机械系统的组件和纳米器件等。在前期研究了这种氧化铝膜的力学性能如拉伸性能和弯曲性能的基础上,本文实验研究了这种氧化铝多孔膜的振动特性即共振频率特性和振动模态,估算了该氧化铝多孔膜的相当弹性模量,与其他方法测得的相当弹性模量基本一致。     

动态结构系统可靠性的频率灵敏度分析

基于频率可靠性理论提出了动态结构系统的频率可靠性灵敏度的计算方法. 根据动态结构系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机结构振动问题的可靠性模式和系统的可靠度,进而提出了频率可靠性灵敏度分析方法,应用随机摄动技术、可靠性理论和灵敏度方法,推导出参数为正态随机变量时的准失效概率灵敏度的表达公式,对动态结构系统共振问题的可靠性灵敏度分析方法进行了探索. 并在此基础上,以一简化的车身-车轮-路面关系的系统模型为例,由可靠性灵敏度矩阵可以看出,各随机参数的变化对动态结构系统的可靠性及失效性的影响程度也不同,其计算结果与通常的定性分析结果完全一致,验证了所提方法的有效性. 该方法为动态结构系统的优化和设计提供了依据.      

主动移频式动力吸振器及其动力特性的研究

动力吸振器是振动控制中比较有效的减振装置,只要吸振器(子系统)的振动固有频率与振动物体(主系统)的振动频率相同,即可有效地消除主系统的振动。但传统动力吸振器的控制频率带宽较窄,限制了其稳定性和减振效果的提高。本文通过独特的机械设计,研制了一种可以通过调节自身的几何参数,使得其固有频率随几何参数线性变化的主动移频的新型动力吸振器,并初步设定了相应的控制方法。文中还对其动力学特性进行了理论分析和实验测试,分析了它的机理,评估了它的实际减振效果。研究结果表明该吸振器可以大范围调节自身固有频率,有效拓宽吸振频带,具有良好的减振性能和稳定性。     

Forced large amplitude periodic vibrations of non-linear Mathieu resonators for microgyroscope applications

This paper describes a comprehensive non-linear multiphysics model based on the Euler–Bernoulli beam equation that remains valid up to large displacements in the case of electrostatically actuated Mathieu resonators. This purely analytical model takes into account the fringing field effects and is used to track the periodic motions of the sensing parts in resonant microgyroscopes. Several parametric analyses are presented in order to investigate the effect of the proof mass frequency on the bifurcation topology. The model shows that the optimal sensitivity is reached for resonant microgyroscopes designed with sensing frequency four times faster than the actuation one.