橫向振動(dòng)微諧振器的空氣阻尼研究及振動(dòng)分析.pdf

1、橫向振動(dòng)微諧振器被廣泛應(yīng)用在MEMS器件中。由于在微結(jié)構(gòu)中表面積與體積比值急劇增大，微動(dòng)構(gòu)件作諧振運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的空氣阻尼也大大增大，微諧振器的性能如諧振頻率、品質(zhì)因子等直接受空氣的粘性阻尼影響。因此，研究常壓下空氣阻尼效應(yīng)對(duì)MEMS微諧振器性能提高具有重要意義。 本文以靜電驅(qū)動(dòng)橫向振動(dòng)微諧振器為研究對(duì)象，著重探討在諧振過程中，微諧振器作橫向諧振運(yùn)動(dòng)所形成的空氣阻尼流場的分析模型和研究方法，計(jì)入尺度效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)等因素，考察空氣

2、阻尼效應(yīng)對(duì)微諧振器性能的影響。用靜電驅(qū)動(dòng)微諧振器性能實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行相關(guān)工況條件、構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，揭示微尺度下空氣阻尼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并研究在空氣阻尼作用下微諧振器作諧振運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。 本文在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，計(jì)入稀薄氣體效應(yīng)和邊界滑移條件，建立了作橫向和縱向諧振運(yùn)動(dòng)的空氣阻尼理論模型和相應(yīng)的研究方法。研究發(fā)現(xiàn)，空氣阻尼效應(yīng)對(duì)橫向振動(dòng)微諧振器的性能，特別是運(yùn)動(dòng)形態(tài)和品質(zhì)因子影響很大。研究結(jié)果表明，在微

3、諧振器振動(dòng)板與硅襯底間的流場速度分布與Couette流非常相似，而振動(dòng)板上部流場速度分布與Stokes流動(dòng)有較大差別。通過作者實(shí)驗(yàn)以及與國外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，本文理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值非常吻合，證實(shí)了理論模型和研究方法的正確可靠。本文建立了微諧振器的動(dòng)力學(xué)模型，并將其與空氣阻尼模型相結(jié)合，研究有空氣阻尼作用的微諧振器性能研究分析手段和設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行微諧振器的性能仿真分析，對(duì)微諧振器靜位移仿真分析可以代替實(shí)驗(yàn)中