十字型微谐振梁多场耦合振动及信号分析

作     者：韩光 许立忠 HAN Guang;XU Lizhong

作者机构：燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004 河北建材职业技术学院机电工程系河北秦皇岛066004 

出 版 物：《华南理工大学学报（自然科学版）》 (Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition))

年 卷 期：2023年第51卷第2期

页      面：10-19页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家重点研发计划资助项目(2018YFB1304803)。 

主　　题：微机电系统 范德华力 十字型谐振梁 非线性振动 多场耦合 电容检测 

摘      要：微机电系统(MEMS)又称微系统或微电子机械系统,是在微电子技术基础上发展起来的一种高科技微型器件或系统。MEMS集光刻、腐蚀、LIGA、硅和非硅表面微加工、精密机械加工等技术于一体,其尺寸在微米量级。利用微加工技术生产的微传感器以结构简单、灵敏度高和工作稳定等特点而广泛应用于工程实际中。微传感器通常采用静电激励与电容检测方法检测信号,即利用谐振梁振动时的位移变化导致电极之间的距离变化,从而使电极之间的电容值产生变化,检测到的电容变化频率即为谐振梁振动的频率。为解决微传感器电容检测信号微弱、检测精度较低的问题,提出了一种十字型微谐振梁。为研究微谐振梁的多场耦合效应,在考虑范德华力、电场力的情况下建立了谐振子的多场耦合非线性动力学方程。采用林滋泰德-庞加莱法求解获得其非线性振动的动态位移,分析了多物理场参数对于谐振子振动位移平均值以及电容变化量的影响规律。运用微纳加工手段制作出十字型微谐振梁,采用静电激励-电容检测方法进行了谐振频率和振动位移导致的电容变化量测试。结果表明:十字型谐振梁增大了极板面积,电容变化量增加,其信号强度更强。当面积增大75%时,电容变化量为原来的4.2倍,信号强度增强5.0倍,因此更加便于电容检测。