利用吸合电极实现亚微米电极间隙的可制造性设计

提出一种利用吸合电极结构的可制造性设计手段,实现亚微米电极间隙的方法。利用静电力拉动可动电极位移实现超出光刻和刻蚀能力的超窄间隙,使得敏感电极间隙由1.3μm减小至300nm,通过该方法获得的亚微米电极间隙对工艺离散性不敏感,电极间隙的不一致性可以下降1个数量级。结合本文提出的I2BAR结构的可制造性设计方法,可以实现完整的微机电系统(MEMS)振荡器可制造性设计。

基于AMESim的电磁阀多次吸合现象的仿真分析

某型氢氧发动机先导式电磁阀进行吸合电流检查试验时,电流曲线出现多次异常吸合现象。针对此现象,结合电磁阀结构特点,采用AMESim仿真软件研究了入口压力、电磁阀吸合时间、衔铁处顶杆孔径、流体介质、产品安装角度、排气孔等效面积及气垫腔容积对衔铁运动的影响。结果表明:顶杆孔径减小、测试产品安装反向、气垫腔容积增大容易引起衔铁的振动,进而引起电磁阀电流曲线的抖动;将仿真分析结果与试验实测曲线进行对比,结合试验时产品测试情况,顶杆小孔孔径减小是引起电磁阀异常吸合现象的原因,并提出了对电磁阀结构的改进优化方案,对今后电磁阀结构设计给予一定的启示。

静电驱动柔性振膜的吸合特性研究

对静电驱动柔性振膜的吸合特性进行了理论分析和实验观测。通过理论计算得到了静电驱动下柔性振膜与具有连续曲面的腔体实现完全吸合的吸合电压。完全吸合电压随振膜电极与腔体直径的偏差以及振膜初始应力的增大而增大。同时,通过实验验证了静电驱动下柔性振膜的电极与具有连续曲面的腔体在驱动电压100 V、驱动频率2.5 Hz的条件下能够实现完全吸合。振膜电极与腔体直径的偏差会导致振膜所受静电力以及二者之间的电容能均呈现出明显的不均匀性,因此二者的完全吸合过程呈现出显著的非中心对称特性。

永磁接触器位移分段PWM控制及吸合过程动态特性分析

在分析永磁接触器吸合特性的基础上,提出位移分段的控制策略,实时检测接触器动铁心位移,并据此调整控制电压脉宽调制(pulse width modulation,PWM)占空比,使接触器的动态吸力和反力特性达到良好的配合,实现最优运动特性下的吸合控制。建立在位移分段PWM智能化控制下吸合过程的动态特性方程,耦合电压平衡方程和机械运动方程,采用4阶龙格-库塔算法仿真永磁接触器整个吸合动态过程。仿真结果与实验测量较吻合,验证了动态特性方程和仿真方法的正确性。最后,针对提出的控制策略,通过实验比较了4种不同分段的PWM控制方案,选出了最佳,可显著降低永磁接触器动触头及动铁心的闭合速度,并减少由其碰撞带来的触头一、二次弹跳。

基于超程时间和吸合时间建模的继电器双变量寿命预测方法的研究

继电器寿命是表征继电器可靠性的重要指标,超程时间和吸合时间是表征继电器寿命的重要特性参数。继电器触点在开断和闭合过程中,由于电弧等的侵蚀作用造成触点的电磨损。随着触点电磨损的增加,触点的厚度逐渐减少,造成超程时间减小,吸合时间增大。针对现行的继电器可靠性寿命试验方法中存在的问题:① 抽样试验概率统计方法估计电寿命的可靠度较低;② 试验周期长,耗费人力、物力及电能;③ 试验是破坏性的。文中提出了基于超程时间和吸合时间建模的继电器双变量寿命预测方法, 建立了趋势项时间序列预测数学模型和平稳项时间序列预测数学模型,并对两种预测数学模型进行了参数辨识。实验结果表明,该方法是有效的。

航天继电器贮存过程吸合时间退化机理研究

航天继电器作为一种密封的电器元件,其贮存可靠性对于导弹等武器装备至关重要。如何测试评价航天继电器在贮存过程中性能及可靠性的衰退,是继电器用户和厂家非常关心的问题。利用开发的实验系统对某型号航天继电器进行了贮存加速实验,得到了吸合时间的变化规律。分析并验证了贮存过程中吸合时间变化的主要原因是簧片应力松弛所导致的反力变化。通过仿真与实验均证实了吸合时间与簧片初力存在近似的线性关系,进而提出可采用吸合时间来表征簧片的应力松弛退化特性。建立了高温条件下继电器吸合时间的贮存退化模型,为进一步研究继电器贮存可靠性及贮存寿命预测奠定了基础。

智能交流接触器动态吸合过程研究

智能交流接触器采用智能控制系统,对接触器吸合、吸持、分断全过程进行动态控制。提出智能交流接触器吸合过程动态控制的概念,该概念是应用智能控制系统按不同电源电压(激磁电压)调节控制参数,如:合闸相位角、吸合过程强激磁的接通和断开时间等,由此改变铁心在吸合过程中的运动速度,减少铁心撞击,消除接触器的主触头在吸合过程中一、二次弹跳,从而减少触头磨损,提高各项性能指标。在大量实验和动态计算的基础上,进行动态优化设计,得出满意设计结果。

多层悬臂梁静电作用下的弯曲及吸合电压分析

多层悬臂粱MEMS器件具有广泛的应用,其吸合电压对器件性能有重要影响。通过选取合适的挠度试函数,并考虑多层悬臂梁中的绝缘层对等效间隙高度的影响,运用能量法分析了多层悬臂梁在静电作用下的弯曲情况。推导出了梁在发生吸合现象时,其自由端归一化的挠度值和对应的吸合电压的解析表达式。用Coventor软件中的CoSolveEM模块验证所得公式,表明模型具有较高的精度。所得结论对静电执行结构设计具有一定的参考价值。

RF MEMS开关吸合电压的分析

吸合电压是MEMS静电执行器的重要参数,针对RFMEMS开关,详细分析了开关在不同执行方式下的吸合电压.对于执行电压是脉冲方式而言,开关梁受迫振动,不同于准静态方式,此时使开关发生吸合的执行电压为动态吸合电压,计算表明比准静态吸合电压小8%.通过简化的弹性系数和精确的电容计算公式,详细分析了基于CPW的双端固支梁开关的准静态和动态吸合电压.分析了环境阻尼对动态吸合电压的影响,阻尼使得开关的两种吸合电压差别变小.最后分析了射频输入功率对开关吸合电压的影响,射频输入功率会降低吸合电压,如果输入功率足够大,吸合电压将会降为零,此时MEMS开关会发生自执行失效.

静电吸合对力平衡式隧道加速度传感器的影响

隧尖与阳极之间的可控间距是关系到隧道加速度传感器能否正常工作的一个重要参数,静电吸合限制了该可控间距的范围,本文从理论上分析了静电吸合对隧道加速度传感器设计的影响。对于质量块作活塞式运动的平动型隧道加速度传感器,只有当隧尖与阳极之间的初始间距小于两个反馈电极之间的初始间距的三分之一加上发射间距的和时,力平衡才能实现。对于质量块由多根平行悬臂梁支承的隧道加速度传感器,首次提出并证明,增大隧尖与悬臂梁末端的水平距离可以扩大锥尖高度和锥尖与阳极之间的初始间距的取值范围,从而降低对传感器加工工艺的要求。

RLC串联电路与微梁耦合系统的吸合电压与电振荡

根据电阻电感电容RLC电路与微梁耦合系统物理模型,利用拉格朗日-麦克斯韦方程建立了反映RLC电路与微梁机电耦合特征的数学模型。此模型能够反映机电的耦合特征。当两个极板之间的电介质为石蜡、陶瓷、云母等填充物时,只需求解RLC串联电路方程;当电路中放电结束瞬间,电容器极板上电荷为零,此时系统转化为极板微梁振动系统。通过伽辽金方法推导出了极板微梁系统的非线性振动方程,并求得了极板的吸合电压;应用常微分方程理论得到了RLC串联电路方程电振荡的解析表达式,分析了系统的电振荡特性。研究结果表明:对于每一个激励电压值,极板都有两个可能的平衡位置;电路中电流在非共振情况下经过一段时间的振荡后达到稳定。

大冲击后力反馈微加速度计吸合失效与防止

冲击载荷强迫微加速度计的敏感质量大大偏离平衡位置,使差动静电力发生器的非线性效应体现出来,其结果是使正常工作时敏感质量仅在平衡位置附近有微小位移的状况下成立的负反馈闭环系统模型不再适用,敏感质量的受控特性可能变为正反馈,从而使微加速度计失效。为提高微加速度计受外界大载荷冲击后的可靠性,分析了加速度计的敏感质量在不同限制的静电反馈力下的受控特性及对应的闭环系统特性,推导了在已知止挡机械参数下确定微加速度计相应电气参数从而避免此类失效的防吸合准则。多次的验证实验表明,按防吸合准则设计了系统参数的静电力反馈加速度计,在受到远超过其本身量程的载荷冲击后,可以100%地防止吸合现象的出现。

两端固支多层梁吸合电压的解析模型

运用能量法分析了两端固支多层梁在静电作用下的弯曲情况及发生吸合现象时 ,梁中央的归一化位移 β和对应的吸合电压 VPI,得到了 β和 VPI的解析表达式 .用 Coventor软件中的 Co Solve EM模块进行了模拟 。

电磁继电器二次吸合电压的研究与测量

首先解释继电器产生二次吸合的原因及二次吸合电压。然后依据电磁理论 ,分析了继电器吸合时励磁电流的动态变化特征 ,应用电子技术和计算机技术 ,设计出了一种电磁继电器二次吸合电压测量系统。

静电微泵吸合与释放特性研究

为避免静电微泵因驱动电压过高而出现吸合现象,建立描述静电泵膜吸合与释放现象的一维集中质量模型、二维分布式模型和三维有限元模型,对比研究静电致动泵膜在准静态下吸合与释放的循环过程,获得整个循环过程的泵膜挠曲线变化、泵腔体积变形、电容变化等大量的数据与曲线。比较结果表明,二维分布式模型求解效果最好,并利用三维有限元模型和宏模型的计算结果,验证该模型在泵膜大变形下计算吸合过程的准确性,获得的吸合电压为确定静电微泵驱动电压的上限值提供有效依据。

一类静电驱动微结构谐振传感器的吸合不稳定性研究及控制

以一类静电驱动微结构谐振传感器为研究对象,基于安全域思想研究了系统直流偏置电压和交流激励电压幅值引起的结构吸合不稳定现象。运用Melnikov函数法得到引起微结构吸合不稳定的系统参数门槛值,且运用四阶Rung-Kutta方法和点映射方法数值地验证了交流电压幅值对系统的吸合区域的影响规律。结果表明,直流偏置电压的增大均易引起微结构的吸合效应,而交流电压幅值的增大则会导致微结构的吸合不稳定。通过实施时滞位移反馈控制来抑制系统的吸合不稳定,数值结果验证了该控制方法的有效性。所得结果在静电驱动微机电系统的设计领域有潜在的应用价值。

应变梯度对静电力驱动微梁吸合电压的影响

基于应变梯度理论,建立静电力驱动微梁的控制方程,通过瑞利-利兹法对微梁的控制方程进行降阶,得到一组非线性代数方程。利用牛顿-拉菲森法求解该方程组,确定微梁的吸合电压,分析应变梯度对吸合电压的影响规律。结果表明,当微梁的无量纲厚度减小时,无量纲吸合电压将显著增大,表现出明显的尺寸效应;随着材料内禀特征长度的增加,无量纲吸合电压的尺寸效应也越显著,说明应变梯度对微梁的吸合电压影响显著。随着微梁无量纲厚度的减小,残余应力对无量纲吸合电压影响显著,可以减弱应变梯度对无量纲吸合电压的影响;同时应变梯度可以显著降低中面伸长对吸合电压的影响。分析结果可为微机电系统中微梁的设计提供参考。

吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响

建立了比例电磁铁有限元仿真模型,在考虑衔铁尾部端面位置的情况下,利用Ansoft Maxwell2D电磁场有限元仿真软件,分析了吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响。仿真结果表明:衔铁尾部端面位置不变时,吸合面位置对比例电磁铁行程-力特性的影响较小。衔铁长度不变时,随着吸合面位置的前移,比例电磁铁行程-力特性水平程度变差,工作行程内电磁力减小,且衔铁越短,工作行程内电磁力的减小程度越显著。

电子多臂机电磁铁吸合过程分析及加速措施探讨

为解决电子多臂机对电磁铁响应速度要求很高且机内散热条件很差的问题 ,首先分析了电磁铁的吸力特性和吸合过程的两个阶段 ,提出了吸合时间的计算方法 ;在此基础上提出了提高电磁铁响应速度的措施 :合理设计电磁铁加速电路 ,合理设计电子多臂机的花纹控制机构或附加辅助靠近机构。

交流电磁铁吸合特性测试系统设计

交流电磁铁的吸合动作直接决定了其做功性能与电气通断控制性能。设计了一种用于交流电磁铁吸合特性的测试系统。系统具有磁间隙可调,线圈合闸相角可选,线圈电压、线圈电流、动态力可同步测试的功能。最后,以交流接触器为例,测试分析了交流电磁铁吸合过程的典型波形,研究了合闸相角对碰撞力和吸合时间的影响。