大克努森数下mems穿孔圆板谐振器件挤压膜阻尼分子动力学模型与仿真

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1、隶劫大·粤硕士学位论文万方数据大克努森数下MEMS穿孔圆板谐振器件挤压膜阻尼分子动力学模型与仿真万方数据ModelandSimulationofSqueezeFilmDampingMolecularDynamicsMethodforPerforatedCircularMicro-plateResonatorsintheLargeKnudsenNumberRegimeAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYWUHaiqiangSupervise

2、dbyProf．LIPuSchoolofMechanicalEngineeringSoutheastUniversityMarch2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：丑拦五冲东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研

3、究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：獭导师签名：万方数据摘要大克努森数下MEMS穿孔圆板谐振器件挤压膜阻尼分子动力学模型与仿真捅要在微谐振器工作过程中，品质因数是衡量其动力学特性的重要指标，其从能量的角度定义为：存储于振动系统的总能量与每个振动周期损耗能量的比值。气体阻尼作为微机械谐振器中的一种重要能量损

4、耗机制，其大小直接影响到器件品质因数的高低，而采用在振动微型板表面穿孔的方法可以大大降低气体阻尼，以提高器件的品质因数。挤压膜阻尼作为气体阻尼的一种，其大小对MEMS器件的品质因数有重要的影响。过去大多数的研究主要针对在常压下工作的器件，对这类器件来说应用连续介质理论外加适当的边界条件就可以解决其挤压膜阻尼问题。对于在低压下工作的器件来说，挤压膜阻尼的研究通常有两种方法：一是连续介质模型加等效粘性系数法；二是分子动力学法。为了模拟低压下挤压膜阻尼器件的穿孔效应前人做了大量的工作，但是其采用的方法主要是连续介质模型加等效粘性系数法，而采用分子动力学法研究低压下穿

5、孔器件的挤压膜阻尼问题基本处于空白。在这一背景下，Bao(2002zMicromecltMicroeng．12341_6】利用分子动力学法提出了低压下挤压膜阻尼能量转换模型，但是该模型仅对未穿孔的器件有效。随后，Li佗0ll■Micromech．Microeng．21025006)在Bao的基础上提出了自由分子行程下穿孔MEMS器件的挤压膜阻尼模型，但是该模型仅对穿孔矩形板器件有效。本文在Bao和Li工作的基础上，提出了大克努森数下穿孔圆板MEMS器件的挤压膜阻尼分子动力学理论模型。在该模型的建立过程中，将进入到模型间隙中的气体分子分为了两部分：一部分从穿孔微

6、型板的圆周入射，另一部分从微型板上的小孔入射。该模型通过追踪气体粒子与穿孔微型板在碰撞过程中的能量交换，得到穿孔微型板在一个振动周期内损失的机械能，进而计算得到器件的品质因数。同时，本文从数值模拟仿真的角度，利用有限元数值仿真方法计算了穿圆孔的微型板和穿方孔的微型板在不同克努森数下的品质因数，并将有限元仿真结果与理论模型结果相比较，以验证分子动力学理论模型的有效性，并得出理论模型的适用条件。本文同样探讨了穿孔比、振动频率以及板的厚度对器件挤压膜阻尼品质因数的影响，得到了品质因数随穿孔比、振动频率和板厚的变化规律曲线，并得出了相应的结论和适用条件。最后本文概括总

7、结了该理论模型的局限性和误差产生的原因，并对后续的工作提出了几点展望。关键词：微机械谐振器，品质因数，挤压膜阻尼，分子动力学法，穿孔圆板万方数据东南大学硕士学位论文ModelandSimulationofSqueezeFilmDampingMolecularDynamicsMethodforPerforatedCircularMicro-·plateResonatorsintheLargeKnudsenNumberRegimeABSTRACTQualityfactor,allimportantindicatorofitsdynamiccharacteristi

8、csduringmicro—reson