基于隧道场效应管传感的纳米梁非线性振动控制研究

发布时间：2020-07-02 15:58

【摘要】：纳米梁作为纳机电系统(Nano-Electro-Mechanical Systems,NEMS)的重要构件,常被用来制作高精度的传感器。但是,随着尺寸的进一步减小,纳米梁在振动中容易出现多值、分岔等非线性现象,导致谐振器出现不稳定振动,甚至产生吸合现象,影响其工作稳定性。因此,消除振动中的非线性影响是纳微器件设计过程中首要考虑的问题。纳微器件的非线性振动控制成为纳机电系统的一个重要研究方向。本文研究了基于隧道效应、场效应传感、隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制,通过理论分析与数值模拟仿真相结合的研究方法,分析了影响纳米梁非线性振动控制的因素。首先,以Euler-Bornoulli悬臂梁为振动模型,提出了基于电子隧道效应的纳米梁非线性振动控制方法。隧道效应电流具有高灵敏性、高精确性的特点,可用于检测纳米梁的振动信号。应用位移和速度电压反馈控制器,考虑无时滞和有时滞反馈两种情况,建立基于隧道效应的纳米梁非线性振动控制方程,应用多尺度方法得到纳米梁主共振的幅频响应方程。研究了直流和交流激励电压、控制增益和时滞等参数与纳米梁振动非线性之间的关系,得到了减弱系统非线性、增强系统稳定性的影响因素。其次,研究了基于场效应传感的纳米梁非线性振动控制。建立含有场效应传感控制的纳米梁振动微分方程,考虑主共振和三次超谐共振情况,研究了影响纳米梁非线性振动控制的因素。通过幅频曲线分析得出,振动控制参数、时滞反馈参数、阻尼值、纳米梁与极板间的初始距离、栅电压、源漏电压等都是影响纳米梁振动幅值和非线性的因素。在一定范围内,振动控制参数、时滞反馈参数的变化可以调节振动非线性项、时滞非线性项和振动阻尼项的大小。通过选择适当的参数,使纳米梁的振动保持在平衡稳定状态。最后,考虑主共振和三次超谐共振情况,研究了基于隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制问题,分析了影响纳米梁非线性振动控制的因素以及如何通过调节各因素对非线性进行有效地控制。研究发现,振动阻尼、振动反馈控制参数、纳米梁与极板间的距离、外部初始电压、栅电压等都对纳米梁的最大振幅和振动非线性具有一定的影响。研究表明,纳米梁隧道效应、场效应传感、隧道场效应传感对振动信号提取表现出更高的灵敏性和精确性,对纳米梁非线性具有良好的控制作用。在一定范围内,通过选择适当的系统参数、振动控制参数和时滞反馈参数等可以对振动非线性进行调节,将其控制在合理范围内,从而实现对纳米梁非线性振动的有效控制。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O322;TN386
【图文】：

模型图,纳米,振动控制,隧道效应

提取的纳米梁非线性振动控制该势垒的量子效应，可以用于梁作为振动的物理模型，考虑时进行了分析研究，得到纳米梁隧响应方程。研究了控制增益、时幅之间的关系，分析了减弱系制振动模型的悬臂纳米梁作为振动控制研制极板，各连接一个控制器，分板，控制极板和驱动极板边界C 、Dx 、Ex 、Fx ，纳米梁与极板于采集纳米梁振动信号。纳米梁

直流激励,振幅,电压,频率

山东理工大学硕士学位论文第二章基于隧道效应的纳米梁非线性振动控制随频率的变化呈硬式非线性变化趋势，振动不稳定。当直流电压继续降至 1.5V 时，最大振幅减小为 0.28，且系统振动趋于稳定。随着直流激励电压幅值由 2.5V 降为1.5V，系统的振动幅度逐渐减小，衰减幅度为 50%，振幅峰值点向右偏移的距离减小。由此可得，减小电路中的直流激励电压值可以有效减弱系统振动的非线性。图 2.3 为交流激励电压不同时的振幅—频率关系曲线。当交流激励电压为 2.0V时，系统振动不稳定，最大振幅为 0.55，振幅峰值点向右发生偏移，出现多值区间，系统振动表现为硬式非线性振动。当交流电压降为 1.0V 时，最大振幅削减为 0.23，系统的非线性减弱。随着交流电压由 2.0V 减小至 1.0V，系统的振动幅度随之减小，衰减幅度为 58%，幅频曲线偏移幅度减小，系统振动趋于稳定。由此可得，交流激励电压的降低可以有效减弱系统的非线性。

【相似文献】