高、低温环境下典型微结构动态特性及测试技术研究

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在MEMS器件商品化的过程当中,动态测试技术扮演着十分重要的角色。对于很多微传感器和微执行器来说,其功能主要是通过内部微结构的微小位移和变形来实现的,因此对微结构的动态特性进行测试和研究已成为开发MEMS产品的关键环节之-特别是随着MEMS产品应用领域的不断拓展,对不同环境条件影响下的微结构动态特性及相应的测试技术进行研究变得越来越重要。因此,本文针对高、低温环境下MEMS中典型微悬臂结构的动态特性进行研究,从理论和实验两个方面研究了微悬臂结构固有频率随温度的变化规律,并对高温和低温环境下微结构的动态测试技术进行了研究。针对两种典型的MEMS微悬臂结构,矩形等截面微悬臂梁和梁-质量块结构的梯形微悬臂梁,建立了它们固有频率的温度系数模型,从模型中可以看出,微悬臂结构固有频率随温度变化的根本原因在于材料弹性模量的变化和结构尺寸的改变。对微结构的冲击底座激励方法进行了研究。首先研究了基于压电陶瓷的冲击底座激励方法,并对压电陶瓷的冲击响应特性进行了分析。该方法可以在低温环境下对微结构进行激励,不过由于受到压电陶瓷居里温度的限制,该方法无法应用在高温环境下;为了解决在高温环境下对微结构进行激励的难题,提出了一种基于激波的冲击底座激励方法,通过高压电容在空气中放电的方式实现了对微结构的冲击激励,并分析了放电回路参数对激励装置输出特性的影响。对低温环境下微结构的激励方法、微结构振动响应的检测方法以及低温环境的实现方法进行了分析,建立了包括基于压电陶瓷的冲击底座激励装置、真空环境腔体、低温冷阱和激光多普勒测振仪等的动态测试系统,实现了在-55℃~室温的低温环境下对微结构的动态特性测试。对高温环境下微结构的激励方法、微结构振动响应的检测方法以及高温环境的实现方法进行了分析,建立了高温环境微结构动态特性测试系统。采用了电阻加热的方法,并通过热传导的方式来实现对微结构的升温,采用基于激波的冲击底座激励装置实现了对微结构的激励,使用激光多普勒测振仪来获取微结构的振动响应,实现了在室温-500℃的高温环境下对微结构的动态特性测试。利用所研制的MEMS动态特性测试系统在-55℃-500。C的温度下对单晶硅微悬臂的动态特性进行了测试,使用自由衰减法获取了微悬臂梁的动态特性参数。实验结果表明无论是等截面矩形单晶硅微悬梁,还是梯形单晶硅微悬臂梁,它们的固有频率都随着温度的升高而减小,且近似的呈线性关系,此外,微悬臂梁固有频率的温度系数与微悬臂梁的结构尺寸无关,其数值在-3.35×10-5/℃和-2.95×10-5/℃之间,这个结果与通过理论模型获得的结果具有很好的一致性。
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