考虑尺度效应的微梁冲击动力学研究

MEMS devices can be exposed to shock during fabrication, transportation, and operation.In space applications and harsh environments in military applications,MEMS devices need to achieve higher reliability under mechanical shock and impact. With the decrease of the structure size, influences of the size effect and surface effect on mechanical behavior of the micro/nano structures are significantly.Microbeams represent a major structural component in many MEMS devices. It's important to study the size dependent dynamic characteristics of microbeams under mechanical shock.In this project,the dynamic model of microbeams of MEMS sensors subjecting to drop is established based on the nonlocal continuum theory.The modefied beam theory using nonlocal constitutive relation is developed to account for transient responses of size dependent microbeams under mechanical shock. The size effect on natural frequencies and dynamic response are investigated by comparing the nonlocal model with the classical model. The mechanism of failure,including large deflection and fracture,is studied based on the propagation characteristics of stress wave in the structures. The optimization design for improving the dynamic erformance of dropped microbeams is proposed.Finally,the drop experiments are taken to prove the correspondence of the numerical results with the experimental results. The advantages and feasibility of optimization design are demonstrated by experiments.

MEMS元器件在制造、运输和操作过程中都有可能承受冲击，在军事和航空航天环境中对MEMS设备的冲击可靠性要求更高。随着结构尺度的减小，尺度效应和表面效应对微纳米结构的冲击动力学行为将产生重要的影响。微梁作为MEMS元器件主要结构之一，研究考虑尺度效应的微梁结构冲击响应规律具有重要的工程意义。本项目拟基于非局部连续介质弹性理论，建立传感器中的主要微梁结构在跌落冲击载荷作用下的冲击动力学模型；应用非局部本构关系对梁波动方程进行修正，提出分析冲击作用下考虑尺度效应的微梁结构瞬态响应的理论方法；通过对比宏观梁模型和非局部梁模型的数值模拟结果，研究尺度效应对微梁结构的固有频率和动力响应的影响；通过应力波传播特性分析，给出微梁结构的变形失效和断裂破坏机理，提出提高微梁跌落冲击作用下的动力性能的优化设计方案。实验验证所建立模型的正确性，并论证微梁优化设计方案的可行性及优势。

MEMS器件的安全性能取决于主要部件晶体硅梁，其尺寸随着科学技术的发展越来越小，因此对微纳米晶体硅梁的可靠性研究具有重要的工程意义。对于微纳米尺度的晶体硅构件，需要考虑材料的非均匀性。因此，经典的Griffith断裂理论不再适用于微纳米尺寸或缺陷为微纳米尺度的晶体硅梁。该研究建立起了非均匀脆性材料的准脆性断裂模型，与适用均质材料的Griffith断裂理论不同，该模型将最大表面缺陷与晶体硅的微结构晶格（晶粒）尺寸，以及宏观力学性能如理论强度和断裂韧性联系了起来。此外，结合正态分布的准脆性模型可对晶体硅平均断裂强度及可靠性进行预测，可用来替代常见的Weibull分布和线性拟合方法。该统计模型不仅可以预测实验数据的离散度，还可以预测完整的失效曲线。针对承受冲击的MEMS器件，建立了多晶硅梁冲击动力学非局部模型，计算了冲击过程中的动力学响应以及应力波的传播特性，结合准脆性断裂的可靠性分析结果，预测了不同冲击荷载下的失效概率。实验结果表明，该结合准脆性断裂的可靠性分析模型计算结果与实验数据趋势较为一致，可为MEMS器件可靠性安全设计提供依据。