面向微结构与微器件的健壮性设计理论与方法研究

以一种体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为典型研究对象，从应对微结构与器件设计、制造和使用过程的复杂多样化为出发点，提出并建立面向微加工效应和多物理场环境效应的微结构与器件的健壮性设计方法，重点研究两类健壮性设计问题。一是加工健壮性问题，二是在复杂环境中的健壮性问题。目标是在微机械器件结构的微小尺度条件下，一体化地考虑微机械的制造和使用过程，设计出对其多物理场耦合干涉效应和微加工效应不敏感的、仅对其系统检测对象敏感的、具有健壮性品质特征的微结构与器件。通过实际制作和测试改进后的微结构与器件、并结合计算机仿真系统，验证微结构与器件健壮性设计方法和理论的有效性和实用性。项目的预期成果将对理论层面的微器件/结构的设计方法学以及工程层面的微器件/结构的量产化具有良好的推动作用。

微弹性梁是MEMS器件中的重要结构，也是MEMS器件在冲击环境中的最薄弱结构。首先分析了微梁的静电场理论及其结构变形，建立其有限元迭代求解模型；得出了微梁的静电-结构耦合特性。进而提出了楔形动齿的梳齿驱动结构，建立了楔形梳齿模型，通过对梳齿静电场解析，研究该结构与梳齿静电力突变之间的关系。提出了基于灵敏度解析和响应面方法的楔形梳齿结构设计与优化方法。.以冲击环境为典型复杂环境，分析了微弹性梁的抗冲击性能及其设计要点，研究发现单独依靠弹性梁无法承受超高强度的冲击载荷，而采用限位结构可以提高MEMS器件的抗冲击性能，但限位结构与MEMS结构的碰撞过程会产生撞击应力；准刚性限位结构的防护性能很差，碰撞过程会产生极强的瞬间应力。弹性限位结构可以显著增加限位作用时间，在将MEMS结构限制在断裂极限形变范围内的同时不会产生过强的接触应力，可以大幅提高MEMS器件的抗冲击性能。.设计了一种新型音叉振动式微机械陀螺。封装后的微陀螺驱动和检测频率分别为10.24KHz、11.16KHz。裸片冲击实验表明，该陀螺三轴抗冲击性能分别为15000g-X、14000g-Y、11000g-Z。进一步设计了一种具有三锚点折叠梁的抗高冲击微陀螺。该微陀螺在驱动质量框外的上下两侧单侧均设置了四组三锚点驱动梁，从而消除了驱动回路和检测回路的电磁耦合现象，提高了微陀螺的检测精度。其次，该微陀螺的驱动弹性梁采用两根折叠梁并联的方式，提高了驱动弹性梁的刚度及微陀螺的抗冲击性能。该微陀螺所实现的三轴方向的抗冲击性能（14000 g-X、16000 g-Y、18000 g-Z）在国内达到了很高水平，但距离国际先进水平仍有一定差距。.初步开展了环型微机械陀螺结构设计及其抗冲击特性的研究。提出了一种参数化优化方法并基于APDL的自动分析及优化工具，以此获得微陀螺结构的优化参数，从而提高了环型微陀螺的抗冲击性能。通过LS-DYNA研究其抗冲击性能的统计特性，分析微陀螺尺寸对于抗冲击性能的影响。理论分析表明为了保证微陀螺的抗冲击性能，就必须严格保证环型微机械陀螺检测方向的梁的宽度不出现极大的偏差，最大允许误差不能超过±1%。.通过实际制作和测试改进后的微陀螺、并结合计算机仿真系统，验证微陀螺抗冲击健壮性设计方法和理论的有效性和实用性。