Диссертация (1143967), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Кроме того, можно отметить, чтодействие постоянного смещения приводит к увеличению ширины пропусканиячастотной зависимости, что может быть использовано в резонансных датчиках.Рисунок 4.21 – Зависимость резонансной частоты от постоянного напряжения141Экспериментальнополученныехарактеристикисоответствуюттеоретическим зависимостям, полученным в ходе численного моделирования.
Приэтом наблюдается смещение резонансной частоты в диапазоне 1.5 кГц принапряжении смещения Udc = 45 В.Используя полученные частотные зависимости, можно существенно снизитьнапряжение управления статического переключения при возбуждении колебанийпеременным напряжением с постоянным смещением.
Нелинейный характерколебаний резонатора позволяет возбуждать его с частотой, удаленной от частотысобственных колебаний в линейной области. При этом, за счёт отдалённостичастоты возбуждения от частоты собственных колебаний механическая системаработает не в резонансном режиме, и амплитуда вынужденных колебаний мала.Частота задающего переменного напряжения источника определяется исходя изсмещения собственной частоты и полосы пропускания при напряжении, близком кскачкообразному переходу, так чтобы она соответствовала частоте, при которойнаблюдается скачкообразное увеличение амплитуды колебаний при возрастающемизменении частоты.
Подача постоянного напряжения смещения приводит ксмещению собственной частоты в область частот переменного напряжениязаданного источником. При достаточной величине постоянного и переменногонапряжения должен наблюдаться скачкообразный переход во второе устойчивоесостояние. За счёт асимметрии частотной зависимости (рис.4.19) послескачкообразного перехода актюатора во второе устойчивое положение колебаниярезонатора затухают из-за изменения частоты собственных колебаний.В ходе проведения исследования микромеханический резонатор возбуждалсяпри атмосферном давлении переменным напряжением амплитудой 10 В на частоте4.6 кГц. Добротность резонатора при этом составила 40.
Приложение постоянногонапряжения смещения в 50 В приводило к скачкообразному переходу иперемещению актюатора во второе устойчивое положение. Для сниженияуправляющего напряжения система резонатора была помещена в вакуум. При этомувеличение добротности, как видно из рисунка 4.16, для нелинейных колебаний неприводит к существенному увеличению амплитуды, как в случае линейных систем.142При достигнутой добротности 8000 переход между устойчивыми состояниямиобеспечивался при 35 В постоянного смещения и 5 В переменного напряжения [70].В таблице 4.2 приведены полученные параметры для динамического переключениямежду устойчивыми состояниями.Таблица 4.2 – Параметры для динамического переключенияМеханическаяАмплитудаЧастотадобротность, Qпеременногопеременногонапряжения, UAC, В напряжения, f, кГц401080005Постоянноенапряжениеперехода UDC, В504.635Эксперимент показал, что применение динамического метода переключенияможет позволить снизить управляющее напряжение бистабильного реле примернов два раза.
Эта особенность нелинейных систем, основанных на потеремеханической устойчивости является ключевой для изделий микросистемнойтехники, требующих объединить большое смешение и статическое удержание.Выводы по четвёртой главеВ ходе данного этапа работы были исследованы особенности динамическогоповедения нелинейных систем на основе аркообразных упругих подвесов.Результатыданногоисследованияпозволяютпредопределитьсвойствамикроприводов, выполненных как по объёмной технологии, так и поповерхностной микросистемной техники.В данной главе представлены экспериментально полученные АЧХ и ФЧХрезонаторов с аркообразными упругими микромеханическими структурами привозбуждении колебаний в разряженной среде при линейных и нелинейныхколебаниях.
На основе полученных данных была разработана новая схемауправленияпереходамибистабильноймикромеханическойструктурысприменением частотного возбуждения колебаний и смещением резонанснойчастоты постоянной нагрузкой. Это позволило значительно снизить напряжениеуправления.143ЗАКЛЮЧЕНИЕНастоящая работа посвящена разработке конструкции, методов управленияи технологии изготовления нелинейных микромеханических структур с потерейустойчивости, а также исследование их статического и динамического поведения.В ходе работы было определено влияние внутренних напряжений наформообразованиевнеплоскостныхплёночныхмикроэлектромеханическихэлементов.
Определено доминирующее значение дефектов на образованиевнутренних напряжений в подобных слоях. Разработан и доказан методтехнологического управления внутренними напряжениями в металлическихплёнках на примере многослойной плёночной конструкции Cr-Cu-Cr. Результатыэкспериментальных работ по технологическому управлению внутренниминапряжениями позволили изготовить плёночные внеплоскостные аркообразныебалки, профиль которых определяется первой формой потери устойчивости.Была разработана численная модель поведения аркообразных упругихподвесов и выявлены критерии, влияющие на механическую устойчивостьстабильных состояний, таких как геометрические параметры и внутренниенапряжения.
В ходе данного этапа работы были исследованы особенностистатического поведения и свойства переходов между устойчивыми состояниямидля бистабильных систем на основе аркообразных подвесов с предопределённымпрофилем. Результаты позволяют предопределить свойства микроприводов,использующих упругие элементы с аркообразной формой профиля, выполненныхкак по поверхностной, так и по объёмной технологии микросистемной техники.В ходе работы были получены данные о динамическом поведении систем саркообразными упругими элементами под действием различных типов нагрузок.Полученные данные содержат экспериментальные АЧХ и ФЧХ резонаторов саркообразными упругими микромеханическими структурами при возбужденииколебаний в разряженной среде при линейных и нелинейных колебаниях.
Наоснове полученных данных была разработана новая схема управления переходами144бистабильноймикромеханическойструктурысприменениемчастотноговозбуждения колебаний и смещением резонансной частоты постоянной нагрузкой.Основные результаты работы:1Ростдефектоввходенепрерывногопослойногоосаждениятонкопленочных покрытий Cr-Cu-Cr приводит к снижению модулей Юнга меди ихрома.2Основнымфактором,определяющимвеличинувнутреннихнапряжений тонкопленочных покрытий Cr и Cu, сформированных в ходемагнетронного осаждения, является давление рабочего газа, при этом в диапазонедавлений аргона от 1,5 до 3 мТорр происходит переход от сжимающих напряженийк растягивающим.3Теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, чтоснижение отношения высоты арочного прогиба упругой балки к толщине еёпрофиля ниже значения 3,4 : 1 приводит к сглаживанию потенциальной ямы вобласти второго стабильного состояния.
Экспериментально установлено, чтопотеря механической устойчивости через несимметричные формы приводит кпроявлению линеаризации уже при значении вышеназванного отношения 5,1 : 1.4Разработанный и экспериментально проверенный метод повышенияотносительной глубины потенциальной ямы, основанный на модуляции профиляаркообразногоупругогожёсткостицентральныхвэлементапрямоугольнойобластяхплечфункциейбалки),позволил(увеличениеувеличитьотносительную глубину потенциальной ямы в два раза при повышении силыреакции балки, соответствующей переходу во второе устойчивое состояние, в 1,4раза.5ЭкспериментальнополученныеАЧХиФЧХрезонаторовсаркообразными упругими микромеханическими структурами при возбужденииколебаний в разряженной среде показали, что повышение добротности нелинейныхрезонаторовприрезонансномвозбужденииприводитксущественномуувеличению скорости изменения фазы колебаний, однако возрастание амплитудыколебаний имеет ограничение.145Разработанная новая схема управления переходами нелинейной6микромеханической структуры с применением частотного возбуждения колебанийисмещениемрезонанснойзначительномуснижениючастотыпостояннойнапряжениянагрузкой,управления.приводиткЭкспериментальноустановлено, что повышение добротности резонатора увеличивает эффективностьданного динамического метода.Разработанные конструкции и технологии поверхностных и объёмных7нелинейныхмикромеханическихэнергонезависимыхструктурпримененыоптоэлектромеханическихприизготовлениипереключателейдляширокополосной связи, контактных электромеханических реле для коммутациисигналов силовой электроники, вибрационных микромеханических гироскопов(датчиковсилыКориолиса)длямалогабаритныхбесплатформенныхнавигационных систем.
Результаты диссертационной работы использованы привыполнении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:– составная часть ОКР «Разработка и изготовление оптических модулей наоснове оптических ключей, разветвителей и коллиматорных соединителей,выполненных на базе объемной и поверхностной технологии микромеханики»;– составная часть НИР "Исследование возможности создания рядаэнергонезависимых модулей хранения информации, стойких к СВВФ, потехнологии LTCC";–ПНИЭР«Разработкаконструкцииитехнологиипроизводствамикромеханических чувствительных элементов для навигационных системповышенной точности» (ФЦП "Исследования и разработки по приоритетнымнаправлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020годы" (RFMEFI57815X0123) № 14.578.21.0123).146СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Распопов, В.Я.
Микромеханические приборы / В.Я. Распопов. – М.:Машиностроение. – 2007.– 400 с.2.Younis M.I.: MEMS Linear and Nonlinear Statics and Dynamics / Microsystems.Bd. 20. Boston, MA : Springer US, 20113.Асташенкова, О.Н. Контроль физико-механических параметров тонкихплёнок/ О.Н. Асташенкова, А.В. Корляков // Нано- и микросистемная техника. –2013. – №2. – с. 24-294.Асташенкова,О.Н.Исследованиеповерхностидефектовавтоэпитаксиальных слоёв арсенида индия/ О.Н. Асташенкова, Е.Н.
Севостьянов,В.Н. Смирнова, С.Д. Попов, А.С. Петров // Известия «ЛЭТИ». – 2011. –№ 7. – с. 16205.Pu S. H. RF MEMS Zipping Varactor With High Quality Factor and Very LargeTuning Range/ S. H. Pu, D. A. Darbyshire, R. V. Wright and al.//IEEE Electron DeviceLetters, vol. 37, no. 10, october 20166.WAGNER B. Bistable microvalve with pneumatically coupled membranes /B. Wagner, H.J. Quenzer, S. Hoerschelmann and al.//. In: Proceedings of NinthInternational Workshop on Micro Electromechanical Systems : IEEE, S. 384–3887.Rossiter, J.
A self-switching bistable artificial muscle actuator / J. Rossiter, B.Stoimenov T. Mukai // In: 2006 SICE-ICASE International Joint Conference: IEEE. –2006, pp. 5847–58528.Qiu J. Bulk-micromachined bistable relay with U-shaped thermal actuators / J. Qiu,, J.H. Lang, A.H.
Slocum, A.C. Weber // In: Journal of Microelectromechanical SystemsBd. 14. –2005. –№ 5. –pp. 1099–11099.Ouakad, H.M. On using the dynamic snap-through motion of MEMS initiallycurved microbeams for filtering applications / H.M. Ouakad, M.I. Younis // In: Journalof Sound and Vibration Bd. 333, – 2014. –Nr. 2, –pp. 555–56814710.Martinez-rincon, J. Bistable Nonvolatile Elastic-Membrane MemcapacitorExhibiting a Chaotic Behavior / J. Martinez-rincon, Y. V Pershin // In: IEEE Transactionson Electron Devices Bd. 58, –2011, –Nr.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
