納機(jī)電混頻器的特性研究.pdf

1、NEMS(或稱納機(jī)電系統(tǒng))是上世紀(jì)90年代末提出來(lái)的一個(gè)新概念，是繼MEMS后在系統(tǒng)特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類超小型機(jī)電一體的系統(tǒng)，一般指特征尺寸在亞納米到數(shù)百納米，以納米級(jí)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的新效應(yīng)(量子效應(yīng)、界面效應(yīng)和納米尺度效應(yīng))為工作特征的器件和系統(tǒng)。納機(jī)電諧振器是NEMS中常見(jiàn)的器件，研究納機(jī)電諧振器的機(jī)械特性及阻尼機(jī)制對(duì)NEMS基本理論的發(fā)展及器件的設(shè)計(jì)，優(yōu)化都具有重要的意義。 非線性特性是納機(jī)電諧振器一個(gè)重要的

2、特征，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)諧振器的振幅只有十兒納米時(shí)便表現(xiàn)出明顯的非線性行為，其具體描述為：諧振器在外在正弦激勵(lì)下做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，隨著正弦激勵(lì)頻率的增加，諧振器的振幅逐漸增加至最大點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)一段不穩(wěn)定的振動(dòng)后迅速停止振動(dòng)，將這種現(xiàn)象稱為跳躍現(xiàn)象；其中振幅最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為外在激勵(lì)作用下的諧振頻率，該頻率與自由振動(dòng)下的諧振頻率之差稱為頻率偏移。本文根據(jù)達(dá)芬方程描述非線性振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)具體尺寸的諧振器進(jìn)行了分析和計(jì)算，指出達(dá)芬系統(tǒng)能夠較好地展現(xiàn)納機(jī)電

3、諧振器的非線性特性；接著討論了納機(jī)電諧振器在多頻激勵(lì)下的機(jī)械特性，由多諧波激勵(lì)的振動(dòng)理論可知，此時(shí)非線性方程的解不但包含兩個(gè)激勵(lì)頻率的項(xiàng)，在非線性區(qū)域內(nèi)還包括大量組合波，并利用數(shù)值解求出在非線性區(qū)域內(nèi)隨著外加激勵(lì)強(qiáng)度的增加出現(xiàn)了大量的伴峰或次諧波，從而實(shí)現(xiàn)了納機(jī)電諧振器的機(jī)械混頻。 雖然達(dá)芬振動(dòng)系統(tǒng)能夠較好地解釋納機(jī)電諧振器的非線性特性和混頻特性，然而該動(dòng)力學(xué)模型內(nèi)部的參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，這對(duì)進(jìn)一步理論設(shè)計(jì)納機(jī)電器件提出了新的

4、挑戰(zhàn)。 當(dāng)前NEMS器件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是高Q值，低功耗，需要對(duì)NEMS系統(tǒng)的各種阻尼機(jī)制進(jìn)行討論，從而可以確定某種損耗機(jī)制是基礎(chǔ)的，某種損耗機(jī)制是可以通過(guò)改善工作環(huán)境和提高工藝設(shè)計(jì)避免的，故研究納機(jī)電諧振器能量損耗的主導(dǎo)機(jī)制具有重要的意義。 本文主要探討了熱彈性阻尼的機(jī)理及相關(guān)模型，并討論了器件熱力學(xué)參數(shù)及兒何參數(shù)對(duì)系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)和阻尼參數(shù)的影響，并在常溫下進(jìn)行了模擬，給出了品質(zhì)因數(shù)和阻尼參數(shù)與幾何參數(shù)的關(guān)系；針對(duì)硅-金復(fù)合梁