谐振型石墨烯加速度计的阻尼损耗理论研究

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谐振型石墨烯加速度计(resonant graphene accelerometer,以下简称RGA)把石墨烯材料的优异力学和机械特性跟MEMS加速度计技术相结合,具有高性能、低功耗、低成本等优势。但RGA的致命缺点是其品质因子较低(阻尼损耗较大),严重制约了RGA的发展。为此,论文结合RGA结构及谐振和受力形变模型,重点研究谐振型石墨烯加速度计的压膜阻尼损耗和电涡流损耗机理,主要完成了以下工作:(1)首先结合RGA结构,分析了RGA压膜阻尼产生的物理机制;根据分子碰撞理论,推导了RGA压膜阻尼损耗公式,并分析了影响RGA压膜阻尼损耗的因素。在此基础上提出了降低RGA压膜阻尼损耗的方法。(2)其次提出了一种RGA电涡流损耗的理论模型,介绍了其产生机理与影响因素。(3)采用电容公式与Kirchhoff薄板理论,推导了两边固支石墨烯谐振电涡流损耗的品质因子公式,并分析了凹槽深度、激励电压等因素对品质因子的影响。(4)利用有限元仿真,分析了石墨烯与基底间距、激励电压等因素对RGA品质因子的影响。结果表明,RGA电涡流损耗品质因子随石墨烯几何尺寸、激励电压的直流及交流部分的减小而增大,随石墨烯与基底间距、石墨烯振幅、角频率、电子迁移率的增大而增大。同时仿真了石墨烯谐振频率随边长的变化,并对存在耦合的参数进行分析,证明了参数耦合不会对品质因子的变化趋势产生影响。(5)最后研究了四边固支条件下的RGA电涡流损耗品质因子随器件内外参数的变化趋势。得到结论:在品质因子随参数的变化趋势上,四边固支与两边固支基本一致。在相同参数下,四边固支的品质因子要略低于两边固支。但是,四边固支条件下的电涡流损耗较小。
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