多層結(jié)構(gòu)微梁微板諧振器的熱彈性阻尼機(jī)理與模型.pdf

1、微機(jī)械諧振器件是工作在固有頻率處的新型MEMS微器件。品質(zhì)因數(shù)是這類器件性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。高品質(zhì)因數(shù)意味著低能量損失、高靈敏度和可靠性。影響品質(zhì)因數(shù)的阻尼因素可分成兩類:外部阻尼因素和內(nèi)部阻尼因素。外部阻尼因素包括:空氣阻尼、支撐阻尼和表面損失等。它們可以通過合理的設(shè)計(jì)和改善工作條件來消除。內(nèi)部阻尼因素以熱彈性阻尼為主。它不能像外部阻尼因素那樣輕易消除。因此，微諧振器件的熱彈性阻尼一直是當(dāng)前理論研究的熱點(diǎn)。
　　隨著MEMS技術(shù)

2、的發(fā)展，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)在MEMS器件中也獲得廣泛的應(yīng)用。本文以多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微機(jī)械諧器為研究對象，建立了三種不同結(jié)構(gòu)下熱彈性阻尼解析模型。本文的主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先，以雙層克?；舴?拉夫微板結(jié)構(gòu)諧振器為研究對象，利用廣義正交函數(shù)展開式法求解雙層微板中沿厚度方向熱傳導(dǎo)時(shí)溫度場分布函數(shù)。根據(jù)Bishop和Kinra理論框架，多層結(jié)構(gòu)中熱彈性阻尼為所有層中的能量耗散之和與所有層中最大彈性勢能之和的比值。因此，通過計(jì)算每一層中的能

3、量耗散和最大彈性勢能，建立周邊固定雙層矩形板和圓形板中熱彈性阻尼解析模型。當(dāng)雙層懸臂板和對邊固定板工作在一階固有頻率時(shí)，基于Rayleigh法建立了這兩種邊界條件下熱彈性阻尼的近似解析模型。通過與先前單層微板中熱彈性阻尼解析模型，以及雙層微板熱彈性阻尼數(shù)值模型(ANSYS)的比較，驗(yàn)證本文所建雙層微板中熱彈性阻尼解析模型的有效性。研究結(jié)果表明:雙層微板中熱彈性阻尼的頻譜曲線，與板的長度、外部載荷等條件無關(guān)，只與板的厚度有關(guān)。當(dāng)兩層材料的

4、Zener模量相差較大時(shí)，熱彈性阻尼頻譜曲線可能會出現(xiàn)在兩個(gè)阻尼峰。
　　其次，以一般三層歐拉-伯努利微梁結(jié)構(gòu)諧振器為研究對象，分別利用廣義正交函數(shù)展開式法和格林函數(shù)法求解了三層微梁中沿厚度方向上熱傳導(dǎo)時(shí)溫度場分布函數(shù)，結(jié)果表明基于兩種方法所得溫度場分布函數(shù)完全相同。以所得溫度場方程為基礎(chǔ)，建立了一般三層歐拉-伯努利微梁中熱彈性阻尼解析模型。利用ANSYS有限元軟件，計(jì)算了一般三層微梁中熱彈性阻尼數(shù)值模型結(jié)果。通過與數(shù)值模型結(jié)果的

5、比較，證實(shí)了當(dāng)前解析模型的有效性，并討論了當(dāng)前解析模型的適用范圍。此外，本文所建一般三層梁中熱彈性阻尼解析模型具有更好的通用性，也可用于計(jì)算單層梁、雙層梁和對稱三層梁中的熱彈性阻尼。
　　最后，以一般三層克?；舴?拉夫微板結(jié)構(gòu)諧振器為研究對象，運(yùn)用積分變換法求解了三層微板中沿厚度方向上熱傳導(dǎo)時(shí)溫度場分布函數(shù)。比較三層微板中由積分變換法所得溫度方程與三層微梁中由格林函數(shù)法所得溫度場分布函數(shù)可知，兩種解法所得溫度場分布函數(shù)類似，區(qū)別在

6、于板和梁中的應(yīng)力項(xiàng)?；谒脺囟葓龇匠?，建立了一般三層微板結(jié)構(gòu)中熱彈性阻尼解析模型。通過與有限元三層微板熱彈性阻尼數(shù)值模型比較，證實(shí)了本文所建模型的有效性，并討論了解析模型與數(shù)值模型各自的局限性。同時(shí)，本文還討論了三層板內(nèi)每一層中規(guī)范化溫度場和規(guī)范化熱彈性阻尼。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)振動周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于某一層材料的熱擴(kuò)散時(shí)間時(shí)，熱量在這一層剛開始從壓縮的“高溫”部分向拉伸的“低溫”部分傳遞，由于壓縮-拉伸區(qū)域的反轉(zhuǎn)，“高溫”部分變?yōu)椤暗蜏亍辈糠郑瑹崃?/p>