微纳米谐振器能量耗散机理的研究

发布时间：2021-10-08 23:30

　　微纳米谐振器由于其“高频、高灵敏度、高品质因子”等优点,被广泛应用于高精度测量、传感以及信号处理。能量耗散一直是制约微纳米谐振器件性能提升和应用发展的关键性问题。器件尺寸的微型化在带来超高工作频率的同时,一些在宏观尺度微弱到可以忽略的效应和现象会显现出来并起到重要作用,这也间接导致了更多的能量耗散。通过不同途径引起的能量耗散具有“并联”特性,因此,有必要了解微纳米谐振器中潜在的各种能量耗散机制。本文基于宏观连续介质理论,对微纳米谐振器件的能量耗散机理以及降低能量耗散的可能途径进行了深入、系统的研究。本论文研究的主要工作包括:（1）通过热能量法研究了用作质量传感的微纳米谐振器中的热弹性阻尼问题,分别求得了基于一维热传导以及二维热传导情况下的热弹性阻尼解析表达式,并详细讨论了附着微粒的质量、位置、谐振器的边界条件、几何尺寸以及振动模态对于热弹性阻尼的影响。此外,还推导了谐振式质量传感器的检测灵敏度以及由于机械热噪声所限制的最小检测质量的表达式。（2）通过热能量法研究了具有轴向拉力微纳米谐振器中的热弹性阻尼问题,分别给出了基于一维热传导以及二维热传导情况下的热弹性阻尼解析表达式,并详细讨论了... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

品质因子随器件特征尺度的变化情况[2]

上海交通大学博士学位论文–9–现取一个微小的平行六面体，微元体的各边与坐标轴平行，边长分别为dx、dy、dz，作用在微元面积dxdy上的应力分量有z、zy、zx；作用在微元面积dydz上的应力分量有x、xy、xz；作用在微元面积dzdx上的应力分量有y、yz、yx。并由剪力互等定理知：,,xyyxyzzyzxxz。如图2-1所示。x、y、z为一点的线应变分别沿x、y、z轴方向的分量。xy表示一点平行于x轴和y轴的两条垂直线之间的夹角改变量，定义为该点在这两个方向的剪应变，同理yz和zx。u、v、w分别为一点沿三个坐标轴方向的位移。图2-1微元体上的应力分量Fig.2-1Stresscomponentsonasmallparallelepiped热弹性力学的物理方程：2Δ,2Δ,2Δ,xxyyzzGeTGeTGeT(2-1),,.xyxyyzyzzxzxGGG(2-2)式中：e为体积应变，且dzdydxOxyz

上海交通大学博士学位论文–54–第五章微纳米谐振器中支撑损失的综合研究5.1引言Hao等人[34]将谐振器与支撑视作薄板结构，基于二维弹性波理论获得了平面应力状态下，固支于弹性半无限大支撑结构的谐振器的支撑损失表达式。由于Hao的解析表达式形式简洁、精度较高，而被广泛应用于后续相关研究中。基于Hao的工作[34]，仍有值得改进之处：1.仅考虑了谐振器与支撑结构连接端口处剪应力造成的支撑损失，而未考虑正应力，甚至是正应力与剪应力的耦合效应造成的影响；2.假设剪应力分布均匀，而非真实的二次型分布；3.未考虑当支撑结构与谐振器采用不同材料时带来的结果差异；本章节基于二维弹性波理论，对矩形截面微梁谐振器在面内弯曲振动时的支撑损失进行了更深一步的分析研究。通过傅立叶变换和格林函数法，解析地获得了分别由正应力、剪应力以及正应力与剪应力耦合作用而引起的品质因子综合表达式。揭示了相关控制参数（谐振器的几何尺寸以及谐振器与支撑间的材料差异性）对支撑损失的影响机理。此外，本文还应用完全匹配层（PML）数值模拟技术对理论模型进行了验证。5.2谐振器的动力学模型图5-1与半无限大薄板支撑结构相连接的悬臂型谐振器示意图Fig.5-1Schematicillustrationofamicro-cantileverbeamresonatorconnectedtoasemi-infinitethinplatesupportstructure谐振器镶嵌在基底内部（详见图1-1(a)）。在图5-1中沿x、y、z坐标轴方向的谐振器的长、厚、宽的尺寸分别为L、b、c，且定义谐振器所占区域为0xL，Support

【参考文献】：
期刊论文
[1]微纳机械谐振器能量耗散机理研究进展[J]. 张文明,闫寒,彭志科,孟光.  科学通报. 2017(19)



本文编号：3425182