具有菱形截面的微梁谐振器件的热弹性阻尼机理与模型

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微机械谐振器件是近年来出现的新型谐振器件。品质因数是这类器件的核心参数。品质因数的物理意义是振动器件的总能量除以一个周期内器件耗散的能量。高品质因数代表低能量损失、高灵敏度和可靠性。通常将微机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS)中阻尼划分成两类:外部阻尼和内部阻尼。外部阻尼如空气阻尼、支撑阻尼和表面损失等,可以通过合理的设计和改善工作条件来消除。内部阻尼,如热弹性阻尼是系统内部固有阻尼,不能像外部阻尼那样轻易消除。作为微结构材料的固有能耗,热弹性阻尼不仅制约着品质因数的上限,而且还对谐振器的精确度、灵敏度和噪声特性等产生重要的影响。因此,振动结构中热弹性阻尼为当前理论研究的热点。对于近年来越来越复杂的微谐振器结构,研究出更为针对性、具体性的热弹性阻尼模型是非常有实用价值的。目前对于矩形截面和圆形截面微梁谐振器的热弹性阻尼的研究已经成熟,然而对于具有菱形截面微梁的谐振器件的热弹性阻尼的研究还没有出现。本文将在前人研究的基础上,率先对菱形截面微梁的热弹性阻尼机理与模型进行分析并给出相关详细的公式。在文章的后半部分,对绝热边界条件下的菱形截面微梁的热弹性阻尼理论模型进行总结分析,利用MATLAB软件将模型转化成曲线的表达形式,使理论模型更加直观。最后建立了菱形截面微梁的有限元模型,利用有限元软件求出其热弹性阻尼值,从而可以比较理论模型与有限元模型的差异。我们得出了在绝热边界条件下,菱形截面微梁谐振器工作于高频状态(>109rad·s-1)时能有效提高品质因数,并且验证了本文所推导出的理论计算模型在满足一定条件下的正确性与可行性,从而为快速而准确地估算菱形截面微梁谐振器的热弹性阻尼、提高其品质因数提供了一个行之有效的理论依据。
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