納機電混頻器的特性研究.pdf

1、NEMS(或稱納機電系統(tǒng))是上世紀90年代末提出來的一個新概念，是繼MEMS后在系統(tǒng)特征尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電一體的系統(tǒng)，一般指特征尺寸在亞納米到數(shù)百納米，以納米級結構所產生的新效應(量子效應、界面效應和納米尺度效應)為工作特征的器件和系統(tǒng)。納機電諧振器是NEMS中常見的器件，研究納機電諧振器的機械特性及阻尼機制對NEMS基本理論的發(fā)展及器件的設計，優(yōu)化都具有重要的意義。 非線性特性是納機電諧振器一個重要的

2、特征，實驗表明當諧振器的振幅只有十兒納米時便表現(xiàn)出明顯的非線性行為，其具體描述為：諧振器在外在正弦激勵下做簡諧振動，隨著正弦激勵頻率的增加，諧振器的振幅逐漸增加至最大點，然后經過一段不穩(wěn)定的振動后迅速停止振動，將這種現(xiàn)象稱為跳躍現(xiàn)象；其中振幅最大點所對應的頻率稱為外在激勵作用下的諧振頻率，該頻率與自由振動下的諧振頻率之差稱為頻率偏移。本文根據(jù)達芬方程描述非線性振動系統(tǒng)，對具體尺寸的諧振器進行了分析和計算，指出達芬系統(tǒng)能夠較好地展現(xiàn)納機電

3、諧振器的非線性特性；接著討論了納機電諧振器在多頻激勵下的機械特性，由多諧波激勵的振動理論可知，此時非線性方程的解不但包含兩個激勵頻率的項，在非線性區(qū)域內還包括大量組合波，并利用數(shù)值解求出在非線性區(qū)域內隨著外加激勵強度的增加出現(xiàn)了大量的伴峰或次諧波，從而實現(xiàn)了納機電諧振器的機械混頻。 雖然達芬振動系統(tǒng)能夠較好地解釋納機電諧振器的非線性特性和混頻特性，然而該動力學模型內部的參數(shù)均為實驗測量得到，這對進一步理論設計納機電器件提出了新的

4、挑戰(zhàn)。 當前NEMS器件設計的目標是高Q值，低功耗，需要對NEMS系統(tǒng)的各種阻尼機制進行討論，從而可以確定某種損耗機制是基礎的，某種損耗機制是可以通過改善工作環(huán)境和提高工藝設計避免的，故研究納機電諧振器能量損耗的主導機制具有重要的意義。 本文主要探討了熱彈性阻尼的機理及相關模型，并討論了器件熱力學參數(shù)及兒何參數(shù)對系統(tǒng)品質因數(shù)和阻尼參數(shù)的影響，并在常溫下進行了模擬，給出了品質因數(shù)和阻尼參數(shù)與幾何參數(shù)的關系；針對硅-金復合梁