作為MEMS/NEMS器件的典型代表,微納機(jī)械式諧振器(Micro/Nano-mechanical resonator)是一種實現(xiàn)機(jī)械能與磁能、電能、光能等能量轉(zhuǎn)換的器件。為了提高微納諧振器件的測量精度、信噪比、靈敏度和分辨率等性能參數(shù),以及獲得高品質(zhì)因子(Quality factor),針對阻尼機(jī)理的研究屬于關(guān)鍵科學(xué)問題,亦是研究的核心和難點。作為一種本征阻尼機(jī)制,熱彈性阻尼是決定微納諧振器件品質(zhì)因子上限的關(guān)鍵因素,且無法通過制造方法被徹底地消除。當(dāng)微納諧振器工作在超低溫、超高頻等極端工況下時,基于經(jīng)典傅里葉熱傳導(dǎo)理論建立的熱彈性阻尼模型,已經(jīng)無法精確地估計諧振器中的熱彈性阻尼值。因此,建立考慮非傅里葉熱傳導(dǎo)效應(yīng)的廣義熱彈性阻尼解析模型,并以此揭示熱彈性阻尼譜的新特性,具有重要的研究價值和工程意義。作為MEMS/NEMS領(lǐng)域最為常見的三種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),微納梁、微納環(huán)和微納板被廣泛地應(yīng)用于傳感系統(tǒng)或者驅(qū)動系統(tǒng)的核心組件。本文以微納梁、微納板和微納環(huán)為研究對象,采用非傅里葉熱傳導(dǎo)理論(單/雙相位遲滯理論),建立了以級數(shù)形式表達(dá)的廣義熱彈性阻尼解析模型。本文主要研究內(nèi)容以及創(chuàng)新點如下:一,以矩...

【文章頁數(shù)】：144 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 微納機(jī)械諧振器的工作原理及應(yīng)用
        1.2.1 諧振器簡介
        1.2.2 諧振器的品質(zhì)因子參數(shù)
        1.2.3 諧振器的簡化模型
    1.3 微納諧振器的阻尼機(jī)制
        1.3.1 阻尼分類
        1.3.2 熱彈性阻尼機(jī)制
    1.4 微納諧振器中熱彈性阻尼的研究現(xiàn)狀
        1.4.1 熱彈性阻尼理論模型研究現(xiàn)狀
            1.4.1.1 傅里葉理論模型
            1.4.1.2 非傅里葉理論模型
        1.4.2 熱彈性阻尼實驗研究現(xiàn)狀
        1.4.3 本課題組關(guān)于熱彈性阻尼的研究成果
    1.5 本課題的研究意義
    1.6 本文主要研究內(nèi)容及安排
        1.6.1 本文主要研究內(nèi)容
        1.6.2 本文結(jié)構(gòu)框架
第二章 熱彈性阻尼機(jī)理和當(dāng)前微納諧振器中熱彈性阻尼模型
    2.1 引言
    2.2 熱傳導(dǎo)理論介紹
        2.2.1 經(jīng)典傅里葉熱傳導(dǎo)理論
        2.2.2 非傅里葉熱傳導(dǎo)理論
            2.2.2.1 單相位遲滯(SPL)模型
            2.2.2.2 雙相位遲滯(DPL)模型
    2.3 熱彈性理論介紹
        2.3.1 經(jīng)典溫度梯度控制方程
        2.3.2 單相位遲滯溫度梯度控制方程
        2.3.3 雙相位遲滯溫度梯度控制方程
        2.3.4 相位遲滯時間定義
    2.4 熱彈性阻尼計算方法
        2.4.1 能量法
        2.4.2 復(fù)頻率法
    2.5 當(dāng)前經(jīng)典傅里葉熱彈性阻尼模型
        2.5.1 梁的兩個經(jīng)典傅里葉熱彈性阻尼模型
        2.5.2 板的傅里葉熱彈性阻尼模型
        2.5.3 環(huán)的傅里葉熱彈性阻尼模型
    2.6 當(dāng)前廣義熱彈性阻尼模型
        2.6.1 梁的廣義熱彈性阻尼模型
        2.6.2 板的廣義熱彈性阻尼模型
        2.6.3 環(huán)的廣義熱彈性阻尼模型
    2.7 本章小結(jié)
第三章 基于單相位遲滯理論的微納梁熱彈性阻尼機(jī)理與模型
    3.1 引言
    3.2 微納梁單相位遲滯熱彈性阻尼(SPL-TED)模型
        3.2.1 當(dāng)前微納梁SPL-TED模型
        3.2.2 矩形截面微納梁SPL-TED模型
        3.2.3 圓形截面微納梁SPL-TED模型
    3.3 仿真與討論
        3.3.1 本文SPL-TED模型的討論
        3.3.2 矩形截面梁SPL-TED模型的仿真與討論
            3.3.2.1 本文SPL-TED模型同Zener模型的對比
            3.3.2.2 本文SPL-TED模型同K-O模型的對比
            3.3.2.3 材料對熱彈性阻尼的影響
            3.3.2.4 矩形截面梁溫度場函數(shù)
        3.3.3 圓形截面梁SPL-TED模型的仿真與討論
            3.3.3.1 圓形截面梁的熱彈性阻尼譜
            3.3.3.2 平衡溫度對熱彈性阻尼的影響
    3.4 本章小結(jié)
第四章 基于單相位遲滯理論的微納板熱彈性阻尼機(jī)理與模型
    4.1 引言
    4.2 微納板單相位遲滯熱彈性阻尼(SPL-TED)模型
        4.2.1 矩形板的SPL-TED模型
        4.2.2 圓形板的SPL-TED模型
    4.3 仿真與討論
        4.3.1 板的熱彈性阻尼譜
        4.3.2 材料對熱彈性阻尼譜的影響
        4.3.3 圓形板和矩形板的溫度場函數(shù)
    4.4 本章小結(jié)
第五章 基于單相位遲滯理論的微納環(huán)熱彈性阻尼機(jī)理與模型
    5.1 引言
    5.2 微納環(huán)單相位遲滯熱彈性阻尼(SPL-TED)模型
        5.2.1 一維SPL-TED模型
        5.2.2 二維SPL-TED模型
    5.3 微納環(huán)SPL-TED模型討論
        5.3.1 微納環(huán)SPL-TED模型討論
        5.3.2 圓環(huán)模型和梁模型的討論
    5.4 仿真與討論
        5.4.1 單相位遲滯熱彈性阻尼譜特征分析
        5.4.2 材料對熱彈性阻尼譜的影響
    5.5 本章小結(jié)
第六章 基于雙相位遲滯理論的微納諧振器件熱彈性阻尼機(jī)理與模型
    6.1 引言
    6.2 微納器件雙相位遲滯熱彈性阻尼(DPL-TED)模型
        6.2.1 微納梁DPL-TED模型
            6.2.1.1 矩形截面梁DPL-TED模型
            6.2.1.2 圓形截面梁DPL-TED模型
        6.2.2 微納板DPL-TED模型
            6.2.2.1 矩形微納板DPL-TED模型
            6.2.2.2 圓形板的DPL-TED模型
        6.2.3 微納環(huán)DPL-TED模型
            6.2.3.1 微納環(huán)的溫度梯度控制方程
            6.2.3.2 微納環(huán)一維DPL-TED模型
            6.2.3.3 微納環(huán)二維DPL-TED模型
    6.3 DPL-TED模型的討論
    6.4 仿真與討論
        6.4.1 矩形截面微納梁的DPL熱彈性阻尼譜
            6.4.1.1 本文DPL-TED模型與G-W-R模型的比較
            6.4.1.2 本文DPL-TED模型收斂性分析
            6.4.1.3 熱彈性阻尼分量
            6.4.1.4 λ 值對熱彈性阻尼譜的影響
        6.4.2 圓形截面微納梁DPL熱彈性阻尼譜
            6.4.2.1 熱彈性阻尼譜的雙峰特征
            6.4.2.2 溫度場函數(shù)
            6.4.2.3 平衡溫度對熱彈性阻尼的影響
        6.4.3 微納板的DPL熱彈性阻尼譜
        6.4.4 微納環(huán)的DPL熱彈性阻尼譜
    6.5 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 本文創(chuàng)新點及研究成果
        7.1.1 本文創(chuàng)新點總結(jié)
        7.1.2 本文研究成果
    7.2 未來研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄 A 微納梁DPL-TED模型的MATLAB仿真程序
附錄 B 微納板DPL-TED模型的MATLAB仿真程序
附錄 C 微納環(huán)DPL-TED模型的MATLAB仿真程序
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的學(xué)術(shù)成果



本文編號：3758361