双层矩形板结构微谐振器的三维热弹性阻尼机理研究

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微谐振器在微机电机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)中是相当重要的组成部分,担任着传感器的角色,主要功能就是进行机械能与其他形式能量之间的转换,从而实现能量的传递。品质因数和谐振频率是MEMS谐振器的两个关键参数,是用来衡量谐振器工作时振动特性的重要指标。因此,在MEMS相关设计中,其精确的谐振频率与品质因子的预测是非常必要的。能量损耗一直都在限制着微谐振器的总体性能的提升,对于微谐振器的品质因子有着重要的影响。其实,微谐振器中存在多种形式的能量耗损,而热弹性阻尼机制是其中最主要的耗损机制之一,是因为热弹性结构材料的不可逆的内耗所导致的,且是所有微谐振器件工作中不可避免的,所以对于其中热弹性阻尼的研究一直都是MEMS领域中的热点。目前大多数都是基于简单梁、板或环结构的微谐振器进行其中的热弹性阻尼研究,而随着对微谐振器的要求越来越高,应用范围越来越广,复杂结构的微谐振器也产生了一定的适用意义。微谐振器的主要结构材料多为半导体材料-硅,而如今均质单层硅材料结构微谐振器的实际应用范围已受限,但若是在其表面利用电镀工艺与其他一种材料进行固接,可以改变微谐振器的表面相关特性,提高整体的电导率或者反光率,所以对于以硅微板为基底的多层复合结构微谐振器的相关研究日益增多。双层微矩形板结构谐振器中的一维热弹性阻尼的解析模型其实已经存在,但是该模型主要考虑沿双层矩形板的厚度方向的能量损耗,所以,为了得到更为精准的双层微矩形板中的热弹性阻尼特性,本文旨在建立双层微矩形板谐振器中的三维热弹性阻尼的理论模型,综合考虑双层矩形板的厚度、长度以及宽度方向的热量传导。本文主要围绕单边固支、对边固定、四边固支式双层微矩形板结构谐振器展开研究,论文主要的工作内容如下:(1)对四边固支、对边固支、单边固支双层矩形板结构微机械谐振器中的热弹性阻尼进行解析建模。先根据弹性板的相关力学理论,求解双层微矩形板中的所储存最大的弹性势能,然后采用广义正交函数方法求解双层微矩形板沿长度、宽度和厚度方向的温度场的分布函数,再进行求解双层微矩形板工作中所耗损的总能量,最后基于Bishop和Kinra理论进行其中的热弹性阻尼的求解。(2)对四边固支、对边固支、单边固支双层矩形板结构微机械谐振器中的三维热弹性阻尼模型与前人的单层均质矩形板结构微机械谐振器中的三维热弹性阻尼模型分别进行等效分析。假设双层微矩形板中的材料一致,再重新进行公式推导,得到新的三维热弹性阻尼解析表达式,然后根据Zener理论保留第一项,与目前的单层均质微板模型中的第一项热弹性阻尼表达式进行比较分析:然后从另外一个角度出发,利用数值计算软件分析比较两者的热弹性阻尼计算结果,这可从一定程度上验证本文模型的准确性。(3)对四边固支、对边固支、单边固支双层矩形板结构微机械谐振器中的三维热弹性阻尼模型进行分析。基于不同的材料组合,分析三种模型的热弹性阻尼频谱特点即收敛性,分析不同材料对于三种模型中热弹性阻尼值的影响,分析不同的边界几何尺寸(长度和厚度)对于三种模型中热弹性阻尼值的影响,分析固支边界数对三种模型中热弹性阻尼值的影响。(4)对四边固支、对边固支、单边固支双层矩形板结构微机械谐振器中的三维热弹性阻尼解析模型进行验证分析。利用有限元软件分别建立绝热和等温热边界条件下的热弹性阻尼数值模型,设定不同的边界固支条件与材料参数,与上述本文所建立的三种边界条件下的热弹性阻尼的解析模型相对应,同时与目前已有的双层微矩形板结构谐振器的一维热弹性阻尼的理论模型进行对比分析,从而推断得出本文所建模型的准确性和精确度。
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