【摘 要】
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与传统的传感器相比,微纳传感器具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等突出的优点,加之其极小的质量、极高的共振频率和品质因子(Q值),它们作为超灵敏的传感器被广泛地应用于多个科学技术领域。为了获得精确的共振频率测量结果,需要测其在真空环境下的频率。然而,微纳传感器很多时候需要工作在流体或气体环境中。当传感器沉浸在流体(液体或气体)环境中时,传感器的振动受到阻尼的影响,能量耗散增大
【基金项目】
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国家自然科学基金(51505076); 中央高校基本科研业务费项目(N140304010); 辽宁省自然科学基金面上项目(2015020105);
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与传统的传感器相比,微纳传感器具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等突出的优点,加之其极小的质量、极高的共振频率和品质因子(Q值),它们作为超灵敏的传感器被广泛地应用于多个科学技术领域。为了获得精确的共振频率测量结果,需要测其在真空环境下的频率。然而,微纳传感器很多时候需要工作在流体或气体环境中。当传感器沉浸在流体(液体或气体)环境中时,传感器的振动受到阻尼的影响,能量耗散增大。因此,共振频率大大降低,测量结果的精确度也被影响。综上考虑,预测流体阻尼对微纳谐振器的影响对于微纳传感器的设计和应用是至关重要的。本文重点对边缘固定的平面二维悬空薄膜在流体环境下的动态特性进行研究,对谐振薄膜进行了理论、仿真以及实验测试。本文根据薄膜振动理论,得到了薄膜在真空中的固有频率表达式;采用瑞利方程法推导出固定边界条件下薄膜流固耦合动力学方程;利用ANSYS仿真软件对圆膜、方膜进行了流固耦合仿真分析,得到薄膜在流体中的各阶共振频率和模态;随后对圆膜与方膜的动态特性进行对比分析;为了进一步探究有残余应力的薄膜在流体中所受的影响,建立了有残余应力的薄膜的流固耦合动力学模型;随后对有残余应力的薄膜在流体中的影响进行了仿真。利用304不锈钢薄片设计制作出不同尺寸的圆膜、方膜,并对其进行固支封装。利用搭建的实验平台对薄膜的各阶固有频率进行了测试。随后为了探究残余应力对薄膜在空气阻尼中的影响,对厚度约为1083nm,直径为1000μm到2500μm之间的SiC薄膜同样进行了实验测试。完成了薄膜的振动频率随外界不同压强下的空气阻尼变化的测试。最后,对实验进行了理论、仿真的验证。结果表明:考虑空气阻尼时,薄膜式微谐振传感器的共振频率呈下降趋势,空气阻尼的大小取决于环境压力比,这个比率的增加意味着空气阻尼对微膜动态行为的影响更大。研究还表明在节圆数相同时,空气阻尼对一阶振动模态的影响大于对高阶次模态的影响。
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