扭轉(zhuǎn)式MEMS諧振器件扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合熱彈性阻尼模型.pdf

1、微機(jī)械諧振器件是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的典型器件，廣泛應(yīng)用于超快響應(yīng)和超高靈敏度的執(zhí)行器和傳感器。為獲得高性能的諧振器件，需要設(shè)計(jì)和構(gòu)造低能量耗散（高品質(zhì)因數(shù)）的系統(tǒng)。然而，系統(tǒng)總的能量耗散是由多種耗散機(jī)理導(dǎo)致的。其中，氣體阻尼，支承阻尼和熱彈性阻尼(TED)是微諧振器件中比較常見的能量耗散機(jī)理。支承阻尼可以通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)和裝備機(jī)理來減至最低;氣體阻尼可以通過真空封裝來消除;而熱彈性阻尼是系統(tǒng)本征的、最基本的能量耗散機(jī)理，不能通

2、過改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造方法完全消除。最近這些年，在高品質(zhì)因數(shù)MEMS諧振器件的設(shè)計(jì)和制造中，熱彈性阻尼的重要性不斷增加，相關(guān)研究也越來越重要。
　　本文以高品質(zhì)因數(shù)扭轉(zhuǎn)式微諧振器件為研究對象，建立了扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的熱彈性阻尼解析模型。首先建立了MEMS扭轉(zhuǎn)諧振器件扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的熱彈性阻尼解析模型。過去，很少有研究文獻(xiàn)涉及扭轉(zhuǎn)式微諧振器的熱彈性阻尼解析模型。因?yàn)橐话愣技僭O(shè)扭轉(zhuǎn)式微諧振器在工作時(shí)其支承梁運(yùn)行在純扭轉(zhuǎn)模態(tài)，所以支承梁并沒有局

3、部的體積變化，也就沒有熱彈性能量耗散。然而，當(dāng)激勵(lì)為非純扭轉(zhuǎn)力時(shí)，扭轉(zhuǎn)諧振器件通常存在耦合的扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)。耦合振動(dòng)中的彎曲分量會(huì)引起支承梁的彎曲振動(dòng)，并導(dǎo)致較大的熱彈性阻尼耗散。本論文考慮了扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的影響，提出了扭轉(zhuǎn)微諧振器件中熱彈性阻尼的解析模型。該理論假設(shè)能量耗散只發(fā)生在彎曲振動(dòng)的支承梁上，推導(dǎo)出了耦合的扭轉(zhuǎn)微諧振器件動(dòng)力學(xué)模型，并給出了熱彈性阻尼的近似值。本論文模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)在室溫、高階模態(tài)下，熱彈性阻尼對內(nèi)部耗

4、散的貢獻(xiàn)相當(dāng)大。通過與有限元方法(FEM)的計(jì)算結(jié)果比較，證實(shí)本文模型的有效性。最后，以典型扭轉(zhuǎn)微諧振器件為例，研究了結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)對熱彈性阻尼的影響。其次，針對微機(jī)械諧振器件，提出一種基于熵產(chǎn)理論的熱彈性阻尼解析模型。熵產(chǎn)為測量不可逆熱傳導(dǎo)的熱力學(xué)參數(shù)。熵產(chǎn)方程推導(dǎo)出的解析結(jié)果可以比較精確的估算彎曲振動(dòng)的諧振器件的熱彈性阻尼值。這種熱彈性阻尼的求解方法適用于梁、環(huán)，以及平板微諧振器件。理論推導(dǎo)結(jié)果顯示，彎曲振動(dòng)的梁和in-plan