具有中空结构的多层圆截面微梁谐振器的热弹性阻尼机理与模型

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微谐振器是MEMS器件类型之一,常用于生物医学、航空宇航、通讯信息等领域。品质因数(Quality factor)是评价微谐振器性能的关键参数,高品质因数的微谐振器具有更高的灵敏度,更佳的稳定性和更低的功耗。热弹性阻尼决定了微谐振器品质因数的上限,是一种内部固有阻尼,无法通过改进制造方法彻底消除。因此,准确预测微谐振器中的热弹性阻尼具有重要的学术和应用价值。针对弯曲振动的具有中空结构的双层和三层圆截面微梁,基于傅里叶热传导理论,利用格林函数法逼近微梁中的温度场分布函数,分别建立了一种无穷级数形式的热弹性阻尼解析模型。主要研究内容和创新点如下:(1)中空双层圆截面微梁谐振器的热弹性阻尼以具有中空结构的双层圆截面欧拉-伯努利微梁为研究对象,建立了双层微梁的热弹性阻尼解析模型。通过与Zener单层圆截面微梁和TR单层空心圆截面微梁的热弹性阻尼解析模型对比,发现当前解析模型可退化为Zener梁模型和TR梁模型。此外,检验了当前解析模型的收敛性,对比FEM模型,验证了当前解析模型的有效性。最后,探讨了金属镀层、几何尺寸、约束方式以及外部激振力大小对热弹性阻尼的影响。结果表明:金属镀层会增加微梁的热弹性阻尼,且所镀金属的Zener模量与热弹性阻尼峰值并非正相关;对于Si C/Si结构微梁,当体积比不变时,热弹性阻尼峰值不变,但其临界阻尼频率会随着微梁体积的增加而减小;对于Si/Si3N4结构微梁,当总厚度保持不变时,热弹性阻尼峰值随内外层厚度比的增大而减小,但其临界阻尼频率随着内外层厚度比的增大而增大;对于细长微梁,热弹性阻尼与微梁的长度、约束方式和外部激振力大小无关。(2)中空三层圆截面微梁谐振器的热弹性阻尼以具有中空结构的三层圆截面欧拉-伯努利微梁为研究对象,建立了三层微梁的热弹性阻尼解析模型。通过与中空双层圆截面微梁和FL双层圆截面微梁的热弹性阻尼解析模型对比,发现三层微梁模型可退化为双层微梁模型和FL双层圆截面微梁模型。检验了解析模型的收敛性,对比FEM模型,验证了当前解析模型的有效性。讨论了三层微梁的几何尺寸、金属镀层对热弹性阻尼的影响。结果表明:对于Ni/Si/Ni结构微梁,仅增加第三层厚度时,微梁的热弹性阻尼峰值增大,但临界阻尼频率减小;对于Al/Si C为基底的微梁,在相同镀层厚度条件下,镀Cu微梁的热弹性阻尼峰值和临界阻尼频率大于镀Ni和镀Ti微梁;镀Ti微梁的热弹性阻尼在整个频带范围内均小于镀Cu和镀Ni微梁。
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