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微谐振器是微机械(MEMS)领域重要的传感部件,同时又可作为执行器,其性能的优劣将直接影响到微系统工作的可靠性,因此微谐振器在MEMS发展中一直受到研究者的关注。之字型支撑梁是微谐振器的重要支撑形式之一,其设计初衷为在不增加支撑梁垂直长度的前提下增加微谐振器横向位移,同时降低谐振频率。本文通过理论建模分析、计算机仿真和实验相结合的方法,对之字型微谐振器的机械性能进行了分析研究。
在超静定思想的建模分析基础上,对不同结构形式的之字型支撑梁微谐振器进行了力学分析,研究得出了之字型微谐振器性能参数随其几何参数变化的规律,为此类微谐振器的设计提供了理论基础。理论分析的结果表明,直脚型支撑为之字型支撑的特例,从而验证了理论分析的正确性。将大型通用有限元分析软件ANSYS引入到微谐振器的研究中,对之字型微谐振器的简化力学模型进行了静态和模态分析,得到了水平方向的最大位移和谐振频率等重要性能参数,并初步总结了利用ANSYS对之字型微谐振器进行建模分析的关键问题所在。通过仿真结果与理论分析结果的对比分析,表明两者有较好的一致性。实验是研究微构件工作性能的必不可少的环节,理论和仿真分析中未考虑到的因素在实际的实验环境中被反映出来,通过实验与理论分析的对比,初步推断出微尺度下影响微构件机械性能的因素。
通过对双侧和单侧支撑之字型微谐振器的分析对比,发现相同几何参数条件下,单侧模型比双侧模型横向位移大,谐振频率低。同类型的支撑相比,折弯角度的选择应大于45°;单双侧之字型支撑梁的折弯次数分别不宜超过6和4。