石墨烯纳机电谐振器的非线性振动特性研究

发布时间：2017-10-05 02:19

  本文关键词：石墨烯纳机电谐振器的非线性振动特性研究

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【摘要】：纳机电系统(Nano-electromechanical System,NEMS)在基础研究及应用方面越来越受到人们的重视,小尺寸、高谐振频率的NEMS谐振器可以做典型的纳机电器件。由于石墨烯谐振器具有低功耗、高灵敏度、超小的质量和超高的品质因数等特点,因此其在传感器以及通信方面有着广泛的应用。当谐振器尺寸进入纳米尺度后,在外加激励的作用下很快就会进入非线性区域,具有明显的非线性效应。在这种情况下,采用线性理论分析将会出现较大的误差,本文将引入非线性控制方程来分析石墨烯纳米梁谐振器的振动特性,并对石墨烯谐振器进行分子动力学仿真。具体的研究内容如下:首先,对石墨烯的性质和研究现状做了简要介绍,并对目前国内外关于纳机电谐振器的研究进展进行了综述。其次,基于宏观连续体模型理论,引入范德华力对谐振器振动特性的影响,构建了石墨烯纳米梁谐振器在静电驱动方式下的非线性控制方程。通过有限差分法对谐振器的振动特性进行动态分析,并利用频谱分析方法FFT对数值动态分析得到的时域挠度曲线进行频谱分析。数值仿真结果表明,在交流幅值不变的情况下,当直流电压较小时,谐振器的频率向右偏移,即出现“弹簧变硬”效应;当直流电压较大时谐振频率向左偏移,即出现“弹簧变软”效应。并且这种频率偏移受交流幅值的影响较小,主要受直流电压的影响。最后,本文采用了一种在分子动力学仿真中进行的静电力等效方法,基于分子动力学方法对石墨烯谐振器在不同外力作用下的谐振频率进行模拟仿真和结果分析。将分子动力学方法和连续体模型理论方法的仿真数据进行比较,结果表明分子动力学仿真得到的谐振频率比连续体模型理论得到的谐振频率高。这是因为在MD仿真过程中,对石墨烯纳米梁施加外力的同时会有一个预张力存在,并且预张力会随着外力的增大而增大。本文从连续体模型理论方法和分子动力学方法两方面对石墨烯纳机电谐振器的非线性特性进行了研究,为后续开展实验研究提供理论基础和数据支持,并为石墨烯纳机电谐振器在质量传感器和力学传感器方面的应用提供一些理论参考。
【关键词】：石墨烯纳机电谐振器 非线性 连续体模型 分子动力学
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH-39;TB53;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 石墨烯简介及其国内外研究现状16-19
• 1.2.1 石墨烯简介16-18
• 1.2.2 石墨烯的国内外研究现状18-19
• 1.3 本文的主要工作及内容安排19-21
• 第二章 石墨烯纳机电谐振器的非线性振动模型21-29
• 2.1 概述21-22
• 2.2 微纳机电谐振器的驱动方式22-25
• 2.3 石墨烯纳机电谐振器的连续体建模25-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第三章 石墨烯纳机电谐振器的非线性振动分析29-41
• 3.1 控制方程求解方法29-34
• 3.1.1 有限差分法29-33
• 3.1.2 频谱分析方法33-34
• 3.2 纳米谐振梁的数值方法仿真结果分析34-39
• 3.2.1 求解pull-in电压（吸合电压）35-36
• 3.2.2 不同条件下谐振频率分析36-39
• 3.3 本章小结39-41
• 第四章 石墨烯谐振器分子动力学建模41-53
• 4.1 分子模拟方法概述41-43
• 4.2 分子动力学方法仿真的基本步骤和技术43-48
• 4.2.1 分子动力学仿真步骤43-44
• 4.2.2 分子动力学仿真的初始条件设定44-48
• 4.3 石墨烯谐振器的分子动力学建模48-49
• 4.4 分子动力学弛豫仿真49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 第五章 石墨烯纳米梁谐振器分子动力学仿真及分析53-59
• 5.1 静电力等效方法53-54
• 5.2 分子动力学仿真过程54-55
• 5.3 分子动力学仿真结果分析55-57
• 5.4 本章小结57-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 全文总结59
• 6.2 本文的不足及未来工作展望59-61
• 6.2.1 本文存在的不足59-60
• 6.2.2 工作展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-67
• 作者简介67-68
• 1.基本情况67
• 2.教育背景67
• 3.攻读硕士学位期间的研究成果67-68

【参考文献】

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1 高世桥,曲大成;微机电系统(MEMS)技术的研究与应用[J];科技导报;2004年04期

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本文编号：974218