微机械系统的设计第二部分-不同场的相互作用

　　在微系统的设计中，不同场的相互作用有着特殊的意义。特别明显的是高的集成密度，它对机械元件的性能有着重要的影响，所以，对于微系统的设计人员来说，绝对有必要弄清楚各种不同的场及其作用，以便采取正确的措施。

　　温度一机械相互作用

　　温度场与结构场之间的相互作用，是由弹性元件变为拱形和扭曲而表现出来的。其原因在于由不同热膨胀系数引起的热应力和由表层切割过程所引起的内应力(本征应力)。结构场对于温度场的反作用，在微机械元件中是无关紧要的(产生热的问题可能被塑性变形所掩盖)。这些相互作用，在诸如膜片压力传感器的阳极接点，有特殊的实际意义。由于两个接合件有不同的热膨胀系数，在硅/派莱克(Pyrex)的双层复合时，产生压缩应力(凹面拱曲);而在三层复合时，在膜片内产生拉应力(特性曲线线性化)。这时出现以下效应:

　　·弹簧成拱形并扭曲

　　·增加了断裂的危险

　　·特性曲线线性化

　　·特性曲线开口效应

　　·特性曲线温度漂移

　　静电一机械相互作用

　　静电作用原理，主要用在微传感技术和微致动技术方面。其原因在于，在很小的电极距离内有很大的静电力，有良好的可集成性，在相同的场空间可实现致动器和传感器效应，微系统动力学并无重要的影响。在磁性致动器中，为了力的转换，需要用重的磁性材料，以此使机械固有频率明显降低。

　　与电极的基本距离相比较，有较大的机械偏移，因此，不再有可忽略不计的相互作用。另外，机械性能受电路(内阻)的影响。图2示出电压跃变后的起振情况，静电机械系统的特点在于，振动曲线的包迹不是反射对称的。由于对称相关静电力的关系，对地电极振幅大于在其相反方向的振幅。接地停留时时间在两个半波中是不同的。右图中示出电极电压处于正弦形的振荡。显然，这时的静电机械系统表现为非线性。这一畸变主要是由于内电阻所引起的。这种相互作用导致以下现象:

　　·运动过程不谐调

　　·受电阻的阻尼

　　·固有频率变化

　　·跳动效应

　　·信号发生错误。

　　有必要对各种不同物理场与机械元件的相互影响进行模拟，主要有三种方法:

　　·用分析微分方程式模拟

　　·混合模拟技术(它l凭可用分析方法，也可用数字方法)

　　·利用数字场计算方法(FEM，FDM，BEM)模拟整个系统。