弹性悬臂微梁谐振系统挤压膜阻尼新解析模型 ANALYTICAL MODEL FOR SQUEEZE FILM DAMPING OF FLEXIBLE CANTILEVER MICROBEAM.pdfVIP

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弹性悬臂微梁谐振系统挤压膜阻尼新解析模型 ANALYTICAL MODEL FOR SQUEEZE FILM DAMPING OF FLEXIBLE CANTILEVER MICROBEAM

振动与冲击 第27卷第3期 JOURNALOFVIBRA170NANDSHOCK 弹性悬臂微梁谐振系统挤压膜阻尼新解析模型 李普,胡如夫,尹盎 (东南大学机械工程学院,南京210096) 捅 要:正确预测挤压膜阻尼对于MEMS器件设计是至关重要的。过去,弹性悬臂微梁挤压膜阻尼的解析计算一 方程的耦合关系出发,提出了新的弹性悬臂微梁挤压膜阻尼解析计算模型,导出了解析形式的等效阻尼系数和等效刚度 系数。这两个系数完全由梁和挤压膜气体的物理性质决定。最后,通过与Vignola实验结果、Darling模型计算结果、AN. SYS/FLOTRAN计算结果相比表明,所提出模型的计算精度有较明显的提高。 关键词:挤压膜;弹性悬臂微梁;MEMS 中图分类号:TN402;TB53文献标识码:A 近些年来,微电子机械技术发展迅速,出现了许多 解。但他们直接假设微梁的变形基函数与间隙中流体 种器件。在这些器件中,有一大类是利用微机械结构 压力基函数有相同的形式,这是不合适的。因为微梁 在固有频率处所具有的优良振动性能来工作的。品质 的边界条件与流体的边界条件是不同的,微梁的基函 因数是这类微机械谐振系统的关键指标¨。2J。在影响 数与流体压力基函数显然应该不一样。他们的梁模型 品质因数的各种能量损耗机制(阻尼机制)中,流体阻 也没有考虑驱动电压中直流偏置分量的影响。在悬臂 尼是绝对重要的¨“1。 在许多微机械振动器件中,振子非常靠近基底平 具有分布参数的源点集,直接利用Green函数法求解雷 面,振动方向垂直于基底平面M’7.8|,形成了著名的“挤诺方程,提出了满足边界条件的流体压力基函数,导出 压膜阻尼(Squeeze—film damping)”¨o,即振子与基底之 间的流体受振子的挤压而产生的阻尼。目前,挤压膜 性悬臂微梁挤压膜阻尼实验研究。他们将用Darling模 阻尼的研究方法可分为三大类:(1)数值法;(2)宏模 型的计算值与实验值做了对比,发现Darling模型的计 型法;(3)解析法。数值方法优点众所周知,缺点是: 算值比实验值大4—5倍。他们提出误差因素有如下 计算效率很低,不利于系统级模拟和优化迭代计算,不 三种…J:(1)实验值包含了所有阻尼因素,而计算值只 能直接体现器件几何参数与物理性能的关系。实际 针对挤压膜阻尼一种因素,实验值应该明显低于计算 上,数值法更合适用在校核计算中。宏模型就是对有 值;(2)制造误差导致实验阻尼值下降;(3)计算模型 限元等数值方程进行降阶后的方程,是解析性形式的, 还应进一步提高。 方程阶数只有几个,非常利于系统级仿真和优化。解 析法是直接对整个流体一固体耦合区域寻找合适的基 函数,再用伽辽金法求解流一固耦合方程。该法的突 性悬臂微梁视为具有分布参数的源点集。这一做法使 出优点是能直接体现器件几何参数与物理性能的关 得在雷诺方程中,流体压力函数与微梁位移函数不再 系,非常利于系统级仿真和优化。缺点是只能处理简 耦合。Darling等¨叫实际上对流一固耦合问题做了较 单几何形状及边界条件。 大简化。但Darling提出的满足边界条件的流体压力基 由于相当多的MEMS器件核心构件就是几何形状函数还是比Zhang等一。的合理。 规则简单的微梁、微板,因而,研究它们的解析解具有 针对弹性悬臂微梁,本文基于弹性微梁振动方程和 非常重要的意义。在已有的研究中,微梁边界条件有 雷诺方程的耦合,采用Darling提出的流体压力基函数, 两种:两端固定支承、悬臂支承。在两端固定支承微梁 考虑驱动电压中直流偏置分量的影响,导出了挤压膜阻 尼解析解。本文的主要贡献在于没有对流一固耦合问题 方面,2004

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