碳纳米管谐振器动力学建模与仿真研究

摘要

谐振器是一种产生谐振频率的电子元件，应用于所有涉及频率发射和接收的电子产品之中。基于纳机电系统技术（NEMS）的NEMS谐振器具有尺寸小、频率高、高 Q值、低功耗、可集成等诸多优点，有望成为现有石英晶体谐振器替代品，具有非常光明的应用前景。本论文对以新型纳米材料碳纳米管作为谐振梁的可调谐NEMS谐振器进行研究，主要工作内容如下：
　　(1)对静电力驱动下的碳纳米管谐振器力学特性进行理论研究。探讨了两种典型结构——悬臂梁与两端固支梁结构碳纳米管谐振器的理论模型，对重要参数失效电压（或吸合电压Pull-in Voltage）进行理论研究，提出了碳纳米管谐振器的振动控制方程，最后对静电力驱动下的碳纳米管谐振器检测电路原理进行研究。
　　(2)建立基于有限元方法的ANSYS耦合场模型，对于碳纳米管谐振器的失效电压进行研究。采用了三种方法对其进行数值模拟分析。将求解结果与理论解对比分析，在综合考虑计算效率和计算精度的情况下选择适当的方法进行求解分析。
　　(3)对悬臂碳纳米管梁和两端固支碳纳米管梁进行了模态分析，研究碳纳米管各个尺寸参数对其自然频率的影响，用于进行碳纳米管谐振器结构优化设计和工作频率范围的预测。对可调谐碳纳米管谐振器进行谐响应分析，得到直流偏置电压与碳纳米管谐振器工作频率的变化关系。
　　(4)对NEMS制造技术进行研究，提出两种碳纳米管谐振器的实现方法：局部选择性生长CNT的NEMS集成加工技术方法和采用CNT装配的NEMS集成加工技术方法，并设计出工艺流程图。
　　本论文设计尺寸为梁长L=500nm，梁半径R=10nm，与基底间距H=100nm的悬臂梁式碳纳米管谐振器，调谐电压范围0～21.8v，工作频率带宽约为207.0MHz～302.0MHz；设计尺寸为L=1000nm，R=10nm，H=100nm的两端固支碳纳米管谐振器，调谐电压范围0～46v，工作频率带宽约为474.8MHz～832.4MHz。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文的主要研究内容

第二章 碳纳米管与NEMS谐振器简介

2.1 碳纳米管的力电性质

2.2 NEMS谐振器特性

2.3 本章小结

第三章 碳纳米管谐振器相关理论研究

3.1碳纳米管梁受力分析

3.2 失效电压分析

3.3 碳纳米管振动分析

3.4 检测原理分析

3.5 本章小结

第四章 碳纳米管谐振器ANSYS建模仿真分析

4.1 NEMS建模方法

4.2 有限元方法和ANSYS简介

4.3 失效电压仿真分析

4.4 谐振动态特性仿真

4.5 本章小结

第五章 碳纳米管谐振器的制造技术研究

5.1 碳纳米管的制备技术

5.2 NEMS制造技术

5.3 碳纳米管谐振器制造工艺流程

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本论文的主要研究结论

6.2 对进一步工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的成果