大克努森數(shù)下MEMS穿孔圓板諧振器件擠壓膜阻尼分子動(dòng)力學(xué)模型與仿真.pdf

1、在微諧振器工作過程中，品質(zhì)因數(shù)是衡量其動(dòng)力學(xué)特性的重要指標(biāo)，其從能量的角度定義為:存儲(chǔ)于振動(dòng)系統(tǒng)的總能量與每個(gè)振動(dòng)周期損耗能量的比值。氣體阻尼作為微機(jī)械諧振器中的一種重要能量損耗機(jī)制，其大小直接影響到器件品質(zhì)因數(shù)的高低，而采用在振動(dòng)微型板表面穿孔的方法可以大大降低氣體阻尼，以提高器件的品質(zhì)因數(shù)。
　　擠壓膜阻尼作為氣體阻尼的一種，其大小對(duì)MEMS器件的品質(zhì)因數(shù)有重要的影響。過去大多數(shù)的研究主要針對(duì)在常壓下工作的器件，對(duì)這類器件來說

2、應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)理論外加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件就可以解決其擠壓膜阻尼問題。對(duì)于在低壓下工作的器件來說，擠壓膜阻尼的研究通常有兩種方法:一是連續(xù)介質(zhì)模型加等效粘性系數(shù)法;二是分子動(dòng)力學(xué)法。為了模擬低壓下擠壓膜阻尼器件的穿孔效應(yīng)前人做了大量的工作，但是其采用的方法主要是連續(xù)介質(zhì)模型加等效粘性系數(shù)法，而采用分子動(dòng)力學(xué)法研究低壓下穿孔器件的擠壓膜阻尼問題基本處于空白。在這一背景下，Bao(2002 J.Micromech.Microeng.12341-6)

3、利用分子動(dòng)力學(xué)法提出了低壓下擠壓膜阻尼能量轉(zhuǎn)換模型，但是該模型僅對(duì)未穿孔的器件有效。隨后，Li(2011 J.Micromech.Microeng.21025006)在Bao的基礎(chǔ)上提出了自由分子行程下穿孔MEMS器件的擠壓膜阻尼模型，但是該模型僅對(duì)穿孔矩形板器件有效。
　　本文在Bao和Li工作的基礎(chǔ)上，提出了大克努森數(shù)下穿孔圓板MEMS器件的擠壓膜阻尼分子動(dòng)力學(xué)理論模型。在該模型的建立過程中，將進(jìn)入到模型間隙中的氣體分子分為了

4、兩部分:一部分從穿孔微型板的圓周入射，另一部分從微型板上的小孔入射。該模型通過追蹤氣體粒子與穿孔微型板在碰撞過程中的能量交換，得到穿孔微型板在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)損失的機(jī)械能，進(jìn)而計(jì)算得到器件的品質(zhì)因數(shù)。同時(shí)，本文從數(shù)值模擬仿真的角度，利用有限元數(shù)值仿真方法計(jì)算了穿圓孔的微型板和穿方孔的微型板在不同克努森數(shù)下的品質(zhì)因數(shù)，并將有限元仿真結(jié)果與理論模型結(jié)果相比較，以驗(yàn)證分子動(dòng)力學(xué)理論模型的有效性，并得出理論模型的適用條件。本文同樣探討了穿孔比、振