一种新型微谐振器的基础动力学问题

Micro mechanical resonators play a very important role in MEMS sensing and actuation. In general, these resonators are excited by a harmonic periodical AC signal and the type of their vibration is a forced one. In this investigation, we report two important experimental observations about a micro metal cantilever's resonances which are not forced vibrations, they are parametric and self-excited vibration respectively. Based on these observations, we give a new set up of micro mechanical resonators. Structure dynamics problems of this new type micro mechanical resonator are the main content of this investigation. Firstly, the micro cantilever's parametric and self-excited resonances need to be investigated theatrically and experimentally. Secondly, the research will focus on structure dynamics of objects which vibrate with the same set up of the new resonator and have more complex geometry shape such as circular disk, circular ring etc. Thirdly, optimization design, manufacture and test of the resonator are also outlined in the future research plan.

微谐振器是MEMS领域一种非常重要的能量转换机械结构，现有微谐振器在工作时的谐振一般都是"受迫振动"。根据在实验室发现的微梁在"参数振动"和"自激振动"下的谐振现象，此次申请提出了一种新型微谐振器结构，围绕该新型微谐振器，重点开展相关的结构动力学基础问题研究。研究内容包括：首先开展微梁参数振动和自激振动的理论建模和试验研究，解释现象产生的机理；其次，研究复杂几何形状微结构（微圆盘、微圆环等）在新型谐振器配置下的振动现象和理论模型；最后，适当开展微谐振器优化设计、工艺、测试方面的研究，为新型谐振器的后续应用奠定理论和方法基础。

微谐振器是MEMS 领域一种非常重要的能量转换机械结构，现有微谐振器在工作时的谐振一般都是受迫振动。根据在实验室发现的微梁在参数振动和自激振动下的谐振现象，本项目提出了一种新型微谐振器结构。围绕该新型微谐振器，首先研究了微梁及复杂微结构的基础力学问题，然后进一步研究了新型微谐振器在动力推进领域的基础应用问题。. 首先，本项目发现了微梁在静电场中的参数振动和自激振动现象，并提出了基于参数振动和自激振动原理的两种新型微谐振器。基于参数振动的微谐振器，其输出位移随着输入电压的增加而急剧增长，从而达到同等条件下传统谐振器（基于受迫振动）的3.8倍。基于自激振动的微谐振器，能够仅在直流电压输入下，产生大幅的自激振动，并能实现“8”字形和“0”字形等仿生运动轨迹，输出位移可以达到厘米量级。. 然后，以上述基于自激振动的新型微谐振器为核心，本项目进一步开展了复杂微结构的自激振动研究。在记忆合金微梁的基础上，设计了一套扑翼结构（由扑翼振子、支撑梁、电极等组成），并配以控制系统，发展了一种静电驱动的微型扑翼动力装置。该动力装置能够在直流电压的驱动下，带动两个翅膀做拍动叠加扭转的仿生运动，其中拍动角度（全幅值）可达48.5°，扭转角度（全幅值）可达50°，工作频率为50-70Hz。目前，该动力装置已经能够产生有效升力（31μN左右），实现了扑翼振子的沿导轨向上飞行。. 为了提高新型谐振器及动力装置的性能，本项目还开展了结构优化、工艺流程及疲劳寿命研究。具体包括：建立了扑翼结构的双自由度耦合的动力学模型；探索了基于MEMS的双面硅深刻蚀工艺与基于碳纤维激光切割的微加工工艺；研究了谐振器主要振动部件—微梁的振动疲劳试验系统与寿命模型。. 最后，本项目开展了新型谐振器及动力装置在航空航天领域的基础应用研究。具体包括：静电驱动的仿生机械昆虫、记忆合金驱动的航天连接分离装置等。其中，航天连接分离装置已经成功随火箭升空，完成了在轨验证。. 在本项目的资助下，项目组共发表15篇SCI收录期刊论文；7次参加高水平国际会议，发表12篇EI收录会议论文，其中有3次大会报告；申请15项国家发明专利，其中7项已授权；出版1本学术专著；培养1名博士后（已出站），6名博士（已毕业3名），13名硕士（已毕业8名），其中4名博士获得了研究生国家奖学金。