微諧振器是微型和納米機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)的重要組成部分,應用于傳感、通信和能量采集等小型機械測試儀器。微諧振器結構阻尼的最小化是提高微諧振器的可靠性和靈敏度,增加頻率選擇性以及優(yōu)化能量轉換的關鍵。現(xiàn)有的微/納機械諧振器主要是通過優(yōu)化諧振器件的結構、材料表面粗糙度、降低工作壓力、熱退火以及改變邊界條件等方法消除外部阻尼機制(包括空氣阻尼、擠壓膜阻尼和支撐阻尼等),從而使得結構阻尼基本上由熱彈性阻尼控制。而作為諧振器件的固有阻尼,熱彈性阻尼是無法避免的,它也是限制微諧振器品質(zhì)因數(shù)的主要因素,因此熱彈性阻尼的研究是MEMS動力學分析的基本問題。隨著MEMS的快速發(fā)展,各種復雜結構在微諧振器件中有著廣泛的應用。本文研究的內(nèi)容就是以雙層和三層微桿諧振器為研究對象,提出此類諧振器的熱彈性阻尼的機理與模型,為優(yōu)化軸向振動的微桿諧振器的設計提供理論基礎。主要內(nèi)容如下:首先,研究的是純軸向振動的雙層圓柱微桿諧振器,用廣義正交函數(shù)法求解出圓柱微桿的溫度場函數(shù);并在此基礎上根據(jù)Bishop與Kinra建立基本方法求解出雙層圓柱微桿熱彈性阻尼的理論模型,然后利用格林函數(shù)法對雙層圓柱微桿諧振器溫度場函數(shù)再一次進行模型推導,以驗證模型的正確性。進一步把當前的理論模型與用ANSYS求解出的有限元結果進行對比;討論了理論模型的收斂性,理論模型與ANSYS數(shù)值結果的擬合性,現(xiàn)有理論模型的局限性以及金屬鍍層、外部激振力、圓柱微桿的厚度和長度對諧振器熱彈性阻尼的影響等。研究表明:軸向振動的雙層圓柱Si桿的熱彈性阻尼峰值隨著鍍層厚度的增加先逐漸增加,然后逐漸降低;外部激振力與雙層圓柱微桿諧振器熱彈性阻尼無關;圓柱微桿的長度遠大于半徑時,微桿長度的改變對熱彈性阻尼基本沒有影響。其次,在雙層圓柱微桿的基礎上繼續(xù)研究純軸向振動的三層圓柱微桿的熱彈性阻尼,以廣義正交函數(shù)法求解出三層結構的溫度場函數(shù),在此基礎上建立三層圓柱微桿的熱彈性阻尼解析模型。然后將三層模型與單層模型及雙層模型比較,驗證模型的正確性。用MATLAB軟件求解當前模型的收斂性,并與ANSYS有限元結果比較,討論模型的局限性以及金屬鍍層、外部激振力和圓柱微桿的厚度等對此結構熱彈性阻尼的影響。研究表明:三層圓柱微桿每一層厚度比不變時,隨著總厚度變化時,三層圓柱微桿諧振器熱彈性阻尼峰值保持不變,只是達到峰值的頻率隨總厚度的增加而降低;可以通過改變?nèi)龑訄A柱微桿諧振器的總厚度將諧振器熱彈性阻尼的峰值移到合適頻率來降低總的阻尼,提高微諧振器件的性能。
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH703;TB535
【部分圖文】：

圖 1- 3 單自由度彈簧-質(zhì)量塊-阻尼系統(tǒng)幅頻特性曲線[16]，放大系數(shù)也被稱為品質(zhì)因數(shù)，所以當激勵頻率 ω 接的品質(zhì)因數(shù)可以表示為： 21品質(zhì)因數(shù)（Q）是衡量諧振器的重要指標。品質(zhì)因數(shù)曲線越尖銳，而頻譜曲線的尖銳程度又與 MEMS 諧此提高 MEMS 諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)能夠提升諧振器來說，品質(zhì)因數(shù)是在每一個振蕩周期內(nèi)系統(tǒng)儲存的總質(zhì)因數(shù)從能量的角度可以表示為：WW

第一章 緒論實驗研究現(xiàn)狀2003 年，Amy Duwel 等[37]探討了 MEMS 陀螺儀中熱彈性阻尼，三種變量來改變熱彈性阻尼對總的阻尼有很大的影響；而 MEM率一般都很低，可以通過選擇具有高熱傳導率的材料將熱彈性阻降低總的阻尼，為 MEMS 陀螺儀的設計提供依據(jù)。2007 年，StefanEnderling 等[38]發(fā)現(xiàn)在單晶硅質(zhì)和多晶硅諧振器的 Pt 金屬（圖 1- 4），品質(zhì)因數(shù)因為表面污染物阻尼而減少；可以諧振器封裝或真空包裝等方減少表面污染。

（a） (b)圖 1- 5 具有不同長度金屬鍍層的懸臂微梁[40]：（a）SEM 照片; (b)金屬鍍層長度示意圖（5）2014 年，Gray 等[41]研究半球形微諧振器的品質(zhì)因數(shù)，發(fā)現(xiàn)在有限元模型中振器的品質(zhì)因數(shù)超過 106，而測量結果卻只有 103，這可能是由于實際器件的能量耗主要來源是缺陷和表面效應。.6 本文研究意義與主要內(nèi)容6.1 本文研究意義微諧振器是微型和納米機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）的重要組成部分，應用于傳感信和能量采集等小型機械測試儀器。微諧振器結構阻尼的最小化是重要的，因為它高諧振器的準確性和靈敏度，增加頻率選擇性以及優(yōu)化能量轉換。而現(xiàn)有的微/納機振器主要是消除外部阻尼機制（包括空氣阻尼、擠壓膜阻尼和支撐阻尼等），從而使構阻尼基本上由內(nèi)摩擦機制（熱彈性阻尼）控制。過去的研究雖然已經(jīng)為單層或者復合結構的熱彈性阻尼提供了成熟理論，并對熱

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本文編號：2821306