Диссертация (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры)

2ОГЛАВЛЕНИЕВведение............................................................................................................................................4ГЛАВА 1.Современное состояние исследований по данной проблеме, основныенаправления исследований в мировой науке .....................................................................................141.1 Аркообразные балки как механический бистабильный элемент микросистемнойтехники (МСТ).......................................................................................................................................141.2 Применение аркообразных упругих элементов ...............................................................171.3 Современное состояние аналитического и экспериментального исследованияарочных структур ..................................................................................................................................201.4 Устойчивость состояний и балки с модулированной жесткостью .................................261.5 Динамическое поведение аркообразной микробалки ......................................................281.5 Технология изготовления преднапряжённых и аркообразных упругих структур ........331.6 Выводы и постановка задачи исследования .....................................................................37ГЛАВА 2.Технология изготовления аркообразных упругих элементов .............................402.1 Технология изготовления внеплоскостных плёночных акрообразных элементов сиспользованием поверхностной микрообработки .............................................................................402.2 Преднапряжённые балочные плёночные упругие элементы .........................................432.3 Технологическое управление внутренними напряжениями металлических плёнок ..522.4 Объёмная технология изготовления аркообразных упругих элементов .......................61Выводы по второй главе ...........................................................................................................66ГЛАВА 3.Анализнелинейногоповеденияарочныхструктуривозникающихнеустойчивостей 683.1 Критерии бистабильного поведения аркообразного микроподвеса...............................683.2 Бистабильные системы с компенсацией продольной нагрузки ......................................803.3 Метод повышения устойчивости стабильных состояний ...............................................883.4 Температурная зависимость ...............................................................................................953.5 Несимметричные формы переходов ................................................................................100Выводы по третьей главе ........................................................................................................1093ГЛАВА 4.подвесовИсследованиединамическогонелинейногоповеденияаркообразных................................................................................................................................1114.1 Резонансные колебания аркообразных подвесов при малом возмущении ..................1114.2 Нелинейные колебания аркообразных подвесов............................................................1254.3Организацияпереходамеждуустойчивымисостояниямисприменениемпредварительной раскачки .................................................................................................................137Выводы по четвёртой главе ....................................................................................................142Заключение ...................................................................................................................................143Список литературы ......................................................................................................................146ВВЕДЕНИЕАктуальностьдиссертационнойработы.Основнымиэлементамимикроэлектромеханических систем (МЭМС) являются упругие подвесы в видебалокимембран.Вподавляющембольшинствеупругиеподвесымикромеханической структуры являются линейными элементами, где линейностьпозволяет обеспечить простое, контролируемое преобразование энергии.

Однако впоследнее десятилетие большое внимание приобрели нелинейные элементыжёсткости, что обусловлено особенностью их частотных характеристик ивозможностью формирования мультистабильных систем на их основе. Особоевнимание уделяется аркообразным подвесам, профиль которых определяетсяформой потери механической устойчивости. Нелинейность таких подвесовобусловлена резким возрастанием аксиальной нагрузки при действующей на балкуили мембрану поперечной нагрузки.

При этом наблюдается скачкообразноеизменение профиля подвеса при достижении критической аксиальной нагрузки, тоесть происходит механическая потеря устойчивости упругого подвеса. Подобнаяструктура имеет два минимума механической энергии, обусловленных потерейустойчивости, то есть обеспечивает наличие двух стабильных состояний. Помимоналичия двух стабильных состояний интерес к аркообразным подвесам обусловленпроявлением нелинейных частотных характеристик.

Квадратичная и кубическаянелинейностиприводятк«смячающему»и«ужестчающему»характеруамплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебаний, т.е. образованию«акульего плавника» АЧХ. Данная особенность позволяет обеспечить увеличениечастотного диапазона резонансных устройств.Изначальный профиль аркообразной балки и внешние или внутренниеаксиальные нагрузки являются ключевыми факторами, определяющими характерповедения и нелинейные свойства аркообразной балки.

Таким образом, существуетдва основных технологических подхода к формообразованию нелинейныхмикромеханических структур с проявлением потери устойчивости. Кремниевые45аркообразные балки, изготовленные по технологии объёмной микрообработкикремния с использованием глубокого плазмохимического травления (ГПХТ),получилибольшоераспространениеблагодарявозможностинапрямуюконтролировать изначальную форму балки. В то же время, аркообразный упругийэлемент может быть изготовлен и по поверхностной технологии, основываясь напотереустойчивостииз-запродольныхвнутреннихнапряжений.Этоттехнологический подход остаётся малоизученным из-за невозможности прямогоконтроляпрофилябалки.Отсутствиедостаточныхтеоретическихитехнологических данных не позволяло обеспечить широкое распространениеповерхностных нелинейных микромеханических структур. Решение данной задачитребуетпроведениявнеплоскостныхисследований,плёночныхнаправленныхструктурпосредствомнаформообразованиеконтролявнутреннихнапряжений и на исследование поведения таких нелинейных упругих структур.Другойпроблемойбистабильныхмикромеханическихустройствсаркообразными подвесами является малая механическая устойчивость второгостабильного состояния.

Это объясняется остаточным вращательным моментом,действующим после перехода. Для данных систем характерна существеннаяразница глубин ям потенциальных энергий для устойчивых состояний. При этомглубина второго минимума энергии имеет сильную зависимость от геометрическихпараметров элемента, вплоть до ее отсутствия. Для решения данной проблемынеобходимо проведение исследования по выявлению критериев, влияющих наустойчивость второго стабильного состояния, и оптимизация геометрическихпараметров упругого подвеса. Это имеет особое значение для энергонезависимыхбистабильныхсистемнаосновепотериустойчивостинелинейныхмикромеханических структур.Особенности нового класса МЭМС устройств, включающих применённый вмикроразмерах принцип потери устойчивости, требует разработки новых способовуправления.

Так, для оптимизации управления могут быть использованыдинамические методы. Наличие нелинейных АЧХ и отсутствие достаточныхсведений о динамическом поведении данных систем требует детального6теоретического и экспериментального их изучения. Определение характераповедения аркообразных подвесов имеет особенное значение для резонансныхдатчиков и приводов, требующих поддержания высокого уровня амплитуды вшироком диапазоне частот.Предложенная работа сосредоточена на разработки технологии изготовленияи изучении поведения аркообразных микроэлектромеханических структур,имеющих два механически стабильных состояния, обусловленных потерейустойчивости. Такие структуры могут быть использованы для созданияэнергоэффективных микроэлектромеханических устройств, имеющих два илиболее стабильных состояния, не требующих энергии для поддержания этихсостояний. К этим устройствам относятся мем-конденсаторы и настраиваемые LCсхемы, реле и переключатели, элементы памяти, фокусирующие микролинзы.Нелинейные динамические характеристики так же могут быть использованы приразработке датчиков давления, микрофонов и устройств преобразования инакопления энергии.

В ходе работы проведено всестороннее рассмотрениетонкоплёночных мультистабильных систем, включающее в себя как теоретическийанализ, так и экспериментальные исследования, получены новые данные,позволяющие увеличить стабильность устойчивых состояний и повыситьэффективность управления переходами между ними.Цель и задачи диссертационной работы.Цель работы состоит в разработке конструкции, методов управления итехнологии изготовления нелинейных микромеханических структур с потерейустойчивости, а также исследование их статического и динамического поведения.Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:1. Исследование влияния внутренних напряжений на формообразованиевнеплоскостных плёночных микроэлектромеханических элементов и анализтехнологическихметодовформированияструктур с проявлением потери устойчивости.нелинейныхмикромеханических72.