【摘 要】
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微-纳米尺度下的传感、探测技术在过去的二十年中取得了飞速的发展。微-纳米尺度反应器件因具有巨大的表面-体积比的特点,因此表面效应对微-纳米尺度器件的静、动力学性质的影
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微-纳米尺度下的传感、探测技术在过去的二十年中取得了飞速的发展。微-纳米尺度反应器件因具有巨大的表面-体积比的特点,因此表面效应对微-纳米尺度器件的静、动力学性质的影响起到了十分关键的作用。而特别的,对于广泛应用的,具有薄膜/基底结构的微-纳米梁来说,温度的变化可以引起弯曲变形和固有振动频率的改变,从而影响传感以及探测的精度。首先,我们建立了一个理论框架来研究由原子/分子吸附导致的表面效应和由于环境温度变化引起的温度效应对微-纳米梁的弯曲变形和固有振动频率的影响。这里讨论的表面效应为微-纳米梁表面发生原子/分子物理吸附作用时,用Lennard-Jones势能表示的原子之间的范德华作用引起的表面应力;而温度效应包括了由于基底和薄膜两种材料热膨胀率的不同导致的热错配,以及基底和薄膜材料性质的温度相关性两部分。然后,在理论框架的基础上,我们对由原子/分子吸附导致的表面效应以及温度效应共同作用下的微-纳米梁的静、动力学响应分别进行了数值计算与分析。接下来,从实际应用的微-纳米器件出发,我们利用有限元软件对其静、动力学响应分别进行模拟仿真来验证我们理论体系的预测结果。通过有限元软件对吸附和温度影响下的纳米薄膜自卷曲现象以及微-纳米悬臂梁振动频率的模拟计算,我们发现有限元计算所得的弯曲曲率以及振动频移与理论公式预测的结果具有很好的一致性。本文的研究工作对于微-纳米梁传感器件在设计制造中的灵敏度分析,被探测物质的识别分析等提供了理论基础并起到了积极的指导作用。
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