尺度效应下微板谐振器中热弹性阻尼的研究

摘要

当微机械谐振器运行于室温或真空条件时,热弹性阻尼被认为是最主要的能量耗散方式之一,系统也会因此存在一个品质因子的上限.同时,大量的实验研究表明,微机械谐振器的动力学性能和特征通常是尺度相关的.基于修正耦合应力理论,并利用汉密尔顿(Hamilton)变分原理建立了微板谐振器的热弹性动力学控制方程.结合热传导扩散方程,求得考虑尺度效应下的热弹性阻尼.所得热弹性频率与已报道结果取得较好的一致性.结果表明,当微板的厚度与材料本征尺度参数处于同一数量级时,材料尺度效应对系统热弹性阻尼产生了重要影响.随着材料本征尺度参数的增加,系统的热弹性阻尼将会被抑制,且品质因子得到提高.当环境温度由500K降低至80K时,系统品质因子将会被提升数个数量级.同时,具体分析讨论了不同结构材料、背景温度及结构尺寸下微板的材料本征长度对其热弹性阻尼的影响.