多層結構微梁微板諧振器的熱彈性阻尼機理與模型.pdf

1、微機械諧振器件是工作在固有頻率處的新型MEMS微器件。品質因數是這類器件性能好壞的關鍵指標。高品質因數意味著低能量損失、高靈敏度和可靠性。影響品質因數的阻尼因素可分成兩類:外部阻尼因素和內部阻尼因素。外部阻尼因素包括:空氣阻尼、支撐阻尼和表面損失等。它們可以通過合理的設計和改善工作條件來消除。內部阻尼因素以熱彈性阻尼為主。它不能像外部阻尼因素那樣輕易消除。因此，微諧振器件的熱彈性阻尼一直是當前理論研究的熱點。
　　隨著MEMS技術

2、的發(fā)展，多層復合結構在MEMS器件中也獲得廣泛的應用。本文以多層復合結構微機械諧器為研究對象，建立了三種不同結構下熱彈性阻尼解析模型。本文的主要工作與創(chuàng)新點如下:
　　首先，以雙層克希霍夫-拉夫微板結構諧振器為研究對象，利用廣義正交函數展開式法求解雙層微板中沿厚度方向熱傳導時溫度場分布函數。根據Bishop和Kinra理論框架，多層結構中熱彈性阻尼為所有層中的能量耗散之和與所有層中最大彈性勢能之和的比值。因此，通過計算每一層中的能

3、量耗散和最大彈性勢能，建立周邊固定雙層矩形板和圓形板中熱彈性阻尼解析模型。當雙層懸臂板和對邊固定板工作在一階固有頻率時，基于Rayleigh法建立了這兩種邊界條件下熱彈性阻尼的近似解析模型。通過與先前單層微板中熱彈性阻尼解析模型，以及雙層微板熱彈性阻尼數值模型(ANSYS)的比較，驗證本文所建雙層微板中熱彈性阻尼解析模型的有效性。研究結果表明:雙層微板中熱彈性阻尼的頻譜曲線，與板的長度、外部載荷等條件無關，只與板的厚度有關。當兩層材料的

4、Zener模量相差較大時，熱彈性阻尼頻譜曲線可能會出現在兩個阻尼峰。
　　其次，以一般三層歐拉-伯努利微梁結構諧振器為研究對象，分別利用廣義正交函數展開式法和格林函數法求解了三層微梁中沿厚度方向上熱傳導時溫度場分布函數，結果表明基于兩種方法所得溫度場分布函數完全相同。以所得溫度場方程為基礎，建立了一般三層歐拉-伯努利微梁中熱彈性阻尼解析模型。利用ANSYS有限元軟件，計算了一般三層微梁中熱彈性阻尼數值模型結果。通過與數值模型結果的

5、比較，證實了當前解析模型的有效性，并討論了當前解析模型的適用范圍。此外，本文所建一般三層梁中熱彈性阻尼解析模型具有更好的通用性，也可用于計算單層梁、雙層梁和對稱三層梁中的熱彈性阻尼。
　　最后，以一般三層克?；舴?拉夫微板結構諧振器為研究對象，運用積分變換法求解了三層微板中沿厚度方向上熱傳導時溫度場分布函數。比較三層微板中由積分變換法所得溫度方程與三層微梁中由格林函數法所得溫度場分布函數可知，兩種解法所得溫度場分布函數類似，區(qū)別在

6、于板和梁中的應力項?；谒脺囟葓龇匠?，建立了一般三層微板結構中熱彈性阻尼解析模型。通過與有限元三層微板熱彈性阻尼數值模型比較，證實了本文所建模型的有效性，并討論了解析模型與數值模型各自的局限性。同時，本文還討論了三層板內每一層中規(guī)范化溫度場和規(guī)范化熱彈性阻尼。研究發(fā)現:當振動周期遠遠小于某一層材料的熱擴散時間時，熱量在這一層剛開始從壓縮的“高溫”部分向拉伸的“低溫”部分傳遞，由于壓縮-拉伸區(qū)域的反轉，“高溫”部分變?yōu)椤暗蜏亍辈糠?，熱?/p>