扭轉(zhuǎn)式MEMS諧振器件扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合熱彈性阻尼模型.pdf

1、微機械諧振器件是MEMS（微機電系統(tǒng)）的典型器件，廣泛應用于超快響應和超高靈敏度的執(zhí)行器和傳感器。為獲得高性能的諧振器件，需要設計和構(gòu)造低能量耗散（高品質(zhì)因數(shù)）的系統(tǒng)。然而，系統(tǒng)總的能量耗散是由多種耗散機理導致的。其中，氣體阻尼，支承阻尼和熱彈性阻尼(TED)是微諧振器件中比較常見的能量耗散機理。支承阻尼可以通過恰當?shù)脑O計振動結(jié)構(gòu)和裝備機理來減至最低;氣體阻尼可以通過真空封裝來消除;而熱彈性阻尼是系統(tǒng)本征的、最基本的能量耗散機理，不能通

2、過改進設計和制造方法完全消除。最近這些年，在高品質(zhì)因數(shù)MEMS諧振器件的設計和制造中，熱彈性阻尼的重要性不斷增加，相關研究也越來越重要。
　　本文以高品質(zhì)因數(shù)扭轉(zhuǎn)式微諧振器件為研究對象，建立了扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的熱彈性阻尼解析模型。首先建立了MEMS扭轉(zhuǎn)諧振器件扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的熱彈性阻尼解析模型。過去，很少有研究文獻涉及扭轉(zhuǎn)式微諧振器的熱彈性阻尼解析模型。因為一般都假設扭轉(zhuǎn)式微諧振器在工作時其支承梁運行在純扭轉(zhuǎn)模態(tài)，所以支承梁并沒有局

3、部的體積變化，也就沒有熱彈性能量耗散。然而，當激勵為非純扭轉(zhuǎn)力時，扭轉(zhuǎn)諧振器件通常存在耦合的扭轉(zhuǎn)和彎曲振動。耦合振動中的彎曲分量會引起支承梁的彎曲振動，并導致較大的熱彈性阻尼耗散。本論文考慮了扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合的影響，提出了扭轉(zhuǎn)微諧振器件中熱彈性阻尼的解析模型。該理論假設能量耗散只發(fā)生在彎曲振動的支承梁上，推導出了耦合的扭轉(zhuǎn)微諧振器件動力學模型，并給出了熱彈性阻尼的近似值。本論文模型與實驗結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)在室溫、高階模態(tài)下，熱彈性阻尼對內(nèi)部耗

4、散的貢獻相當大。通過與有限元方法(FEM)的計算結(jié)果比較，證實本文模型的有效性。最后，以典型扭轉(zhuǎn)微諧振器件為例，研究了結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)對熱彈性阻尼的影響。其次，針對微機械諧振器件，提出一種基于熵產(chǎn)理論的熱彈性阻尼解析模型。熵產(chǎn)為測量不可逆熱傳導的熱力學參數(shù)。熵產(chǎn)方程推導出的解析結(jié)果可以比較精確的估算彎曲振動的諧振器件的熱彈性阻尼值。這種熱彈性阻尼的求解方法適用于梁、環(huán)，以及平板微諧振器件。理論推導結(jié)果顯示，彎曲振動的梁和in-plan