MEMS扭转谐振器件弯—扭耦合挤压膜阻尼机理与模型

发布时间：2017-08-27 00:26

  本文关键词：MEMS扭转谐振器件弯—扭耦合挤压膜阻尼机理与模型

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【摘要】：对于MEMS谐振器件,品质因数是衡量其动力学特性的重要指标。高品质因数表示MEMS谐振器件振动过程中能量损耗较慢,且具有更高的灵敏度和分辨率。阻尼是影响品质因数的重要因素,对于MEMS扭转谐振器件,挤压膜阻尼一般是其阻尼主要部分,这使得在理论层面上建立一个准确的挤压膜阻尼模型变得非常必要。目前,前人已对MEMS扭转谐振器件的挤压膜阻尼进行了大量研究,但前人的研究大多只考虑了MEMS扭转谐振器件的纯扭转模态,一些学者虽然考虑了支撑梁的弯曲振动,但他们只研究了MEMS扭转谐振器件的静态特性或忽略了器件中存在的弯扭耦合效应。MEMS扭转谐振器件在工作过程中,并不是受到纯扭矩的作用,因此其不可避免的会产生弯曲振动,且弯曲振动和扭转振动之间存在耦合关系。本论文首先在前人研究的基础上,分别在气体不可压缩和气体可压缩两种情况下对弯扭耦合MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼进行了研究,利用Pan等提出的双正弦级数法得到了MEMS扭转谐振器件间隙中气体压力分布函数,并通过积分求得了振动部件所受的阻尼力和阻尼力矩,给出了阻尼系数、刚度系数和品质因数的解析表达式。然后对纯扭转模型和弯扭耦合模型进行了对比分析,发现纯扭转模型和弯扭耦合模型的偏置位移、阻尼系数和刚度系数之间存在一定相对误差,且即使上述相对误差较小,两种模型品质因数之间仍有可能相差较大。最后通过弯扭耦合模型理论结果和有限元数值结果的对比验证了本文模型的准确性。
【关键词】：挤压膜阻尼 MEMS扭转谐振器件 弯扭耦合效应 品质因数
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535;TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 概述9-10
• 1.2 微机械谐振器件中的气体阻尼与其研究现状10-12
• 1.2.1 气体阻尼研究的目的与意义10
• 1.2.2 气体阻尼的分类及其研究现状10-12
• 1.2.3 论文研究意义12
• 1.3 本文创新点和主要研究内容12-13
• 1.3.1 本文创新点12
• 1.3.2 本文主要研究内容12-13
• 1.4 本章小结13-14
• 第二章 当前MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼的机理与模型14-27
• 2.1 挤压膜阻尼产生的机理与主要研究方法14-15
• 2.1.1 挤压膜阻尼产生的机理14-15
• 2.1.2 挤压膜阻尼的主要研究方法15
• 2.2 间隙中气体的控制方程-雷诺方程15-16
• 2.2.1 可压缩气体的非线性雷诺方程15-16
• 2.2.2 可压缩气体的线性雷诺方程16
• 2.2.3 不可压缩气体的线性雷诺方程16
• 2.3 当前MEMS扭转谐振器件的挤压膜阻尼模型16-26
• 2.3.1 Pan等的扭转微镜挤压膜阻尼模型16-22
• 2.3.2 Moeenfard等的扭转微镜挤压膜阻尼模型22-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 气体不可压缩情况下弯-扭耦合MEMS扭转谐振器件的挤压膜阻尼模型27-50
• 3.1 气体不可压缩情况下弯扭耦合MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼的理论模型27-35
• 3.1.1 弯扭耦合模型28-34
• 3.1.2 纯扭转模型34-35
• 3.2 纯扭转模型和弯扭耦合模型偏置位移的对比与分析35-38
• 3.2.1 偏置电压对偏置位移的影响35-36
• 3.2.2 支撑梁长度对偏置位移的影响36-38
• 3.3 纯扭转模型和弯扭耦合模型扭转振动阻尼系数的对比与分析38-41
• 3.3.1 振动频率对扭转振动阻尼系数的影响38
• 3.3.2 气体间隙厚度对扭转振动阻尼系数的影响38-39
• 3.3.3 偏置电压对扭转振动阻尼系数的影响39-40
• 3.3.4 支撑梁长度对扭转振动阻尼系数的影响40-41
• 3.4 纯扭转模型和弯扭耦合模型品质因数的对比与分析41-46
• 3.4.1 振动频率对品质因数的影响41-42
• 3.4.2 气体间隙厚度对品质因数的影响42-44
• 3.4.3 支撑梁长度对品质因数的影响44-46
• 3.5 弯扭耦合模型挤压膜阻尼理论结果与有限元数值结果的对比与分析46-49
• 3.5.1 弯扭耦合模型挤压膜阻尼的有限元数值模型46-47
• 3.5.2 理论结果和有限元数值结果在不同振动频率下的对比47-48
• 3.5.3 理论结果和有限元数值结果在不同气体间隙厚度下的对比48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 气体可压缩情况下弯-扭耦合MEMS扭转谐振器件的挤压膜阻尼模型50-75
• 4.1 气体可压缩情况下弯扭耦合MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼理论模型50-54
• 4.1.1 弯扭耦合模型50-54
• 4.1.2 纯扭转模型54
• 4.2 纯扭转模型和弯扭耦合模型阻尼系数和刚度系数的对比与分析54-60
• 4.2.1 振动频率对阻尼系数和刚度系数的影响55-56
• 4.2.2 气体间隙厚度对阻尼系数和刚度系数的影响56-58
• 4.2.3 偏置电压对阻尼系数和刚度系数的影响58-59
• 4.2.4 支撑梁长度对阻尼系数和刚度系数的影响59-60
• 4.3 纯扭转模型和弯扭耦合模型品质因数的对比与分析60-68
• 4.3.1 振动频率对品质因数的影响60-63
• 4.3.2 气体间隙厚度对品质因数的影响63-65
• 4.3.3 支撑梁长度对品质因数的影响65-68
• 4.4 弯扭耦合模型挤压膜阻尼理论结果与有限元数值结果的对比与分析68-74
• 4.4.1 理论结果和有限元数值结果在不同振动频率下的对比68-71
• 4.4.2 理论结果和有限元数值结果在不同气体间隙厚度下的对比71-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-77
• 5.1 论文总结75
• 5.2 不足与展望75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 附录一 求解MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼的ANSYS程序81-85
• 附录二 求解MEMS扭转谐振器件挤压膜阻尼的MATLAB程序85-89
• 攻读硕士学位期间的研究成果89

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本文编号：743500