基于“8悬臂梁-质量块”结构的新颖x轴音叉式硅微机械陀螺

设计、制作并测试了一种新颖的x轴音叉式微机械陀螺,它以"8悬臂梁-质量块"结构来实现Coriolis力的检测,与常见的单层弹性梁-质量块结构相比,具有更好的模态稳定性;大质量块与薄弹性梁的结构设计有助于获得低机械噪声与高灵敏度.采用体硅微机械加工工艺在(111)硅晶圆上试制了基于"8悬臂梁-质量块"结构的微陀螺,由于在(111)晶向上硅的湿法腐蚀速率极其缓慢,而用氧化硅填充的限制槽限定侧向腐蚀范围,因此这套工艺能对双层弹性梁的结构尺寸进行精确控制,获得较小的模态失配.在大气环境中,该陀螺具有±200°/s的量程,角速度灵敏度为0.15mV/(°/s),分辨率约为0.1°/s.

带质量块单晶压电悬臂梁的建模与仿真分析

基于压电原理,建立了带质量块的单晶压电悬臂梁模型,并运用有限元软件ANSYS对其进行模态分析和谐响应分析,研究支撑层厚度电压输出的影响,并进行应力分析,解释产生该结果的原因,最后在此基础上提出优化模型.

质量块-悬挂梁热弹性阻尼的L-R理论适用性

热弹性阻尼是谐振器中的一种基本能量耗散机制,决定了高Q谐振器的性能极限。检测质量块-悬挂支撑梁结构由于截面的变化,难以进行解析求解。已有研究表明,质量块刚性假设后,经典的L-R理论可以适用于该结构,然而该假设相对于实际器件所造成的计算误差却没有结论。针对这一问题,采用L-R理论计算与ANSYS有限元计算的对比分析方法,比较了在支撑梁和质量块尺度分别变化时的一阶固有频率和该频率下热弹性阻尼系数的计算误差,结果表明,L-R理论的计算误差较大,并不适用于质量块-悬挂支撑梁结构热弹性阻尼系数的精确计算,但可有效估计尺度变化后热弹性阻尼的变化趋势。

压电悬臂梁负载阻抗匹配分析及其在隔膜泵驱动中的应用

利用悬臂梁结构的不同位置作为对外激励源时,为了使负载获得更多的能量,使悬臂梁的能量输出达到最优,同时隔膜泵的流量输出达到最大,实现隔膜刚度最佳匹配的目的,提出了一种压电驱动悬臂梁结构的负载阻抗匹配概念,研究了隔膜泵的性能与悬臂梁结构对外输出刚度之间的关系。首先,选取悬臂梁结构的根部、中部和端部3个特征位置,利用有限元仿真软件,对悬臂梁-弹簧-质量块模型的能量输出进行了阻抗匹配分析;其次,选取隔膜容积泵作为驱动负载,根据其结构及工作原理,建立了压电悬臂梁驱动隔膜容积泵的简化动力学模型,分析了隔膜泵的性能与悬臂梁驱动结构参数之间的关系;最后,搭建了压电悬臂梁驱动隔膜泵的刚度匹配实验平台,对不同圆盘直径下,悬臂梁不同特征位置处的隔膜泵输出流量进行了测试。研究结果表明:在悬臂梁根部、中部以及端部位置处,隔膜泵输出流量最大时的活塞圆盘直径分别为20 mm、18 mm以及16 mm,随着悬臂梁不同位置对外输出刚度的减小,隔膜匹配的最佳刚度应随之减小;若悬臂梁结构与负载参数一定时,对应的最佳负载匹配刚度逐渐增大。

拉曼光谱应用于硅微悬臂梁的应力特性测试

介绍了一种基于拉曼光谱频移来实现微结构应力测试的方法。利用该方法,实现了标准体硅腐蚀工艺形成的八梁支撑的微悬臂梁中应力分布的测试。测试结果表明EPW体硅腐蚀形成的梁—质量块系统中梁与质量块上存在40～160MPa的张应力,微梁上的残余张应力平均达到100MPa;对微结构上的不同位置,边缘的残余应力普遍要比中心位置的大一些。

人体--结构系统的水平振动实验

针对静止状态人对结构水平振动特性的影响,建立实验平台,分别测试并分析了质量块-结构系统、单人-结构系统、多人-结构系统水平自振频率与阻尼比变化规律.给出了两种人-结构系统静态水平耦合模型的比较分析以及人体的水平振动频率估计.结果表明:在分析静止状态下人对结构水平振动特性的影响时,人体不可简单作为质量块或质量-弹簧-阻尼系统,而应看作带人体刚性质量的质量-弹簧-阻尼系统.结合实验测试数据和人-结构系统水平耦合模型,得到人体水平前后向频率范围为0.236～3.748 Hz,人体水平左右向频率范围为0.194～5.32 Hz.

人-结构系统的水平耦合振动特性实验研究

针对人-结构系统问题,建立了人-结构振动实验平台,研究人(静止站立)-结构系统水平振动特性。对比平台结构和质量块-结构系统,表明附加质量块的质量块-结构系统水平自振频率会显著降低;对比平台结构和人(静止站立)-结构,表明人-结构系统的水平自振频率会降低,但与重量相当的质量块-结构系统相比,降低幅度相对较小;对比平台结构和人-结构系统以及质量块-结构系统和人-结构系统的前三阶阻尼比,表明人静止站立在结构上,会对结构产生明显的阻尼效果,并且当考虑结构上人的动态特性作用时,只将人简化为质量块附加在结构上是不正确的。

基于人-结构耦合振动试验的等效人体模型

针对由人-结构系统的水平相互作用问题,建造了用于人-结构耦合振动研究的钢框架平台。共六人参加此次试验,并测试了添加混凝土质量时结构的动力特性。研究表明:当人静止站立于平台结构上时,与空平台结构相比,人-结构系统的共振频率会降低,但与重量相当的质量块-结构系统相比,降低幅度相对较小,表明在水平方向,不可以简单地将成人等效为相当重量质量块附加在平台结构上;最后,提出了人体前后向的等效附加质量模型,来模拟人对结构水平振动频率的影响,并通过试验验证了此模型的有效性。

留置开盘鉴定试块的意义

讨论主题：《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002第7．3．2条规定“首次使用的混凝土配合比应进行开盘鉴定，其工作性应满足设计配合比的要求。开始生产时应至少留置一组标准养护试件，作为验证配合比的依据。”

基于SU-8光刻胶光纤法布里-珀罗加速度传感器

基于SU-8光刻胶的高深宽比加工技术,设计了对加速度敏感的悬臂梁-质量块结构。理论推导了加速度与SU-8光刻胶悬臂梁-质量块结构的挠度、法布里-珀罗(F-P)腔的干涉光强之间的关系,得到了简化的计算公式,并讨论了传感器灵敏度和固有频率等主要影响因素。提出了一种新的"卍"形悬臂梁-质量块结构,分析和确定了传感器结构的各项参数。研究结果表明,"卍"形SU-8光刻胶结构能够得到较高的灵敏度,具有良好的检测模态,仿真结果与理论分析吻合,可以基于法布里-珀罗干涉原理实现对加速度的传感。

宽频带微型压电式振动发电机的设计

针对压电式振动发电机频带宽度过窄的问题,设计了多悬臂梁-单质量块结构的微型压电式振动发电机。建立了多悬臂梁-单质量块结构微型压电式振动发电机的仿真模型,分析了微型发电机的谐振频率与结构参数的关系、输出电压与结构频率的关系等性能参数。组装了多悬臂梁-单质量块结构发电机实验模型,实验结果表明,设计的多悬臂梁-单质量块结构微型发电机在振动频率为113Hz～155Hz的环境中可以有效地将振动能转换为电能,在频带范围内最小输出功率37.56μW,最大输出功率155.71μW,发电机的频带宽度扩展到42Hz。

(100)面硅片各向异性腐蚀中的凸角补偿方式

为了避免微加速度计在加工过程中,由于湿法腐蚀的各向异性而造成的凸角处产生削角现象,必须根据各个晶向的腐蚀快慢特性和腐蚀深度的要求,在腐蚀开始前设计好补偿的掩膜图形,使之在特定的腐蚀时间后显现出理想的凸角形状.以一种梁-质量块结构的加速度计为模型,为了在加工过程中,得到完整的质量块结构,使结构具有更好的对称性,对各种凸角补偿方式进行了研究.利用(100)面硅片各向腐蚀速率的快慢特性和一定的几何知识,计算出各种凸角补偿方式最佳的补偿几何尺寸模型.这样,在设计加速度计制造工艺时,就可以直接利用这些尺寸模型,得到最佳的结构.