Nghiên cứu về các yếu tố chất lượng của bộ cộng hưởng MEMS

Tài liệu nghiên cứu On the quality factors of mems resonators, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

Trường đại học

National Cheng Kung University

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2017

92
3
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

ABSTRACT

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

NOMENCLATURE

1. CHAPTER 1: Literature Studies and Research Focus

1.1. Squeeze Film Damping (SFD) in MEMS Resonators

1.2. Thermoelastic Damping (TED) in MEMS Resonators

1.3. Anchor Loss in MEMS Resonators

1.4. Other Losses in MEMS Resonators

1.5. Scope of Study and Research Motivation

2. THEORETICAL MODELS

2.1. The Modified Molecular Gas Lubrication (MMGL) Equation for SFD problem

2.2. The Navier-Stokes Equations

2.3. The Continuity Equations

2.4. The Reynolds Equation

2.5. The Modified Molecular Gas Lubrication (MMOL) Equation

2.6. The Poiseuille Flow Rate and Pressure Flow Factors

2.7. The Transverse Vibration Equation of Micro-beam Resonators

2.8. The Thermoelastic Damping of Micro-beam Resonators

2.9. The Anchor Loss of Micro-beam Resonators

2.10. Eigenvalue Problems Procedures

2.11. Derivations for Eigenvalue Problems

2.12. Quality Factors of Micro-beam Resonators Calculations

2.12.1. Quality Factors in the Eigenvalue Problems

2.12.2. Total Quality Factors of Micro-beam Calculations

3. EFFECTS OF GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS

3.1. Results and Discussion

3.1.1. Poiseuille Flow Rate Correctors

3.1.2. Quality Factor of Micro-beam Resonator in the First Three Modes

3.1.3. Quality Factor of Micro-beam Resonator in Modes Higher Than Three

4. COUPLED EFFECTS OF SURFACE ROUGHNESS AND GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS

4.1. Results and Discussion

4.1.1. Pressure Flow Factors

4.1.2. Effects of Gap Film Thickness

4.1.3. Quality Factors

4.1.4. Effects of Surface Accommodation Coefficients, ACs

4.1.5. Effects of Film Thickness Ratio

4.1.6. Effects of Peklenik Number

4.1.7. Effects of Modes of Micro-Beam Resonators

5. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

5.1. Recommendations for Future Work

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bộ Cộng Hưởng MEMS Ứng Dụng và Tầm Quan Trọng

Bộ cộng hưởng MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ cảm biến, bộ điều biến đến các ứng dụng cụ thể như gia tốc kế, con quay hồi chuyển vi mô, gương xoắn và microphone. Các bộ cộng hưởng này, thường được chế tạo từ các cấu trúc rung động đơn giản như micro-beams, bridges, plates và membranes, hoạt động ở tần số cao. Sự đơn giản trong cấu trúc, dễ dàng chế tạo, kích thích và đo lường cộng hưởng là những lý do chính cho sự phổ biến của chúng. Các nghiên cứu gần đây còn sử dụng chúng để phát hiện khối lượng cực nhỏ, vi khuẩn và tương tác phân tử, như đã đề cập bởi Nguyen (2017). Điều này đòi hỏi sự cải thiện lớn trong hiệu suất của bộ cộng hưởng MEMS chế tạo và hoạt động trong các hệ thống nano/micro.

1.1. Các Loại Cấu Trúc Rung Động Phổ Biến Trong MEMS

Các cấu trúc rung động đơn giản như micro-beams (dầm siêu nhỏ), bridges (cầu), plates (tấm) và membranes (màng) là những thành phần cơ bản của bộ cộng hưởng MEMS. Micro-cantilever beam (dầm công xôn siêu nhỏ) với một đầu được kẹp và đầu kia tự do hoạt động ở chế độ rung động đầu tiên. Các cầu dài với hai đầu được kẹp, và màng đĩa MEMS với khối lượng chứng minh ở trung tâm và các cạnh được kẹp, cũng là những cấu trúc rung động phổ biến. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, dễ chế tạo và dễ đo lường.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Bộ Cộng Hưởng MEMS Trong Đời Sống

Bộ cộng hưởng MEMS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong cảm biến (áp suất, nhiệt độ, khối lượng, lực), gia tốc kế và bộ truyền động siêu nhanh và chính xác. Sự khuếch đại cộng hưởng của bộ cộng hưởng MEMS được sử dụng trong các ứng dụng MEMS khác nhau như cảm biến, bộ truyền động, bộ chuyển đổi và thu năng lượng rung động. Thậm chí, chúng còn được tích hợp vào đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) với độ phân giải cao để đo lực và cảm biến môi trường. Nhờ độ nhạy cao, micro-cantilever beam được sử dụng để phát hiện khối lượng cực nhỏ, vi khuẩn và tương tác phân tử.

II. Thách Thức Giảm Hao Hụt Năng Lượng Tăng Q Factor MEMS

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển bộ cộng hưởng MEMS là giảm thiểu hao hụt năng lượng và tăng hệ số phẩm chất (Q-factor). Q-factor cao (hao hụt năng lượng thấp) là một trong những yêu cầu chính cho bộ cộng hưởng MEMS hoạt động với độ nhạy, độ phân giải và độ ổn định tổng thể cao của hệ thống cảm biến. Các yếu tố hao hụt năng lượng, bao gồm dập tắt màng mỏng (squeeze film damping - SFD), dập tắt nhiệt đàn hồi (thermoelastic damping - TED) và mất neo (anchor loss), cần được kiểm soát và giảm thiểu để cải thiện hiệu suất của bộ cộng hưởng.

2.1. Tác Động Của Squeeze Film Damping SFD Đến Q Factor MEMS

Hiện tượng dập tắt màng mỏng (SFD) là một yếu tố quan trọng làm giảm Q-factor của bộ cộng hưởng MEMS, đặc biệt là do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn và luồng khí bị mắc kẹt trong một khoảng không gian siêu mỏng trong điều kiện môi trường khí. Để cải thiện Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam, cần giảm áp suất trong khoảng không gian hẹp để giảm SFD, sau đó các hiệu ứng của sự loãng khí và độ nhám bề mặt trở nên quan trọng và cần được xem xét.

2.2. Ảnh Hưởng Của Thermoelastic Damping TED và Anchor Loss

Ngoài SFD, dập tắt nhiệt đàn hồi (TED) và mất neo (anchor loss) cũng góp phần vào hao hụt năng lượng trong bộ cộng hưởng MEMS. TED xảy ra do sự chuyển đổi năng lượng cơ học thành nhiệt năng do biến dạng đàn hồi. Mất neo là sự mất năng lượng do rung động truyền đến đế hoặc neo của bộ cộng hưởng. Việc giảm thiểu cả TED và mất neo là rất quan trọng để đạt được Q-factor cao.

2.3. Các Yếu Tố Khác Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Bộ Cộng Hưởng MEMS

Ngoài các yếu tố chính trên, các yếu tố khác như ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, điện ápdung sai chế tạo cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng bộ cộng hưởng MEMS. Các yếu tố này cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế và chế tạo để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy tối ưu. Việc kiểm soát môi trường hoạt động cũng rất quan trọng.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Phỏng và Phân Tích Các Yếu Tố SFD MEMS

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp số dựa trên phương trình bôi trơn khí phân tử sửa đổi (MMGL) với cơ sở dữ liệu về tốc độ dòng chảy Poiseuille và các hệ số dòng chảy áp suất được áp dụng để mô hình hóa vấn đề SFD chi phối bên ngoài trên bộ cộng hưởng micro-beam với các hiệu ứng ghép của sự loãng khí và độ nhám bề mặt trong một phạm vi rộng của số Knudsen nghịch đảo và các điều kiện hệ số điều chỉnh (ACs). Phương trình MMGL, phương trình rung động ngang và các điều kiện biên tương ứng của micro-beam được giải đồng thời trong bài toán giá trị riêng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

3.1. Sử Dụng Phương Trình MMGL Để Mô Hình Hóa SFD MEMS

Phương trình MMGL (Modified Molecular Gas Lubrication) là một công cụ quan trọng để mô hình hóa SFD (Squeeze Film Damping) trong bộ cộng hưởng MEMS. Phương trình này xem xét các hiệu ứng của sự loãng khí và độ nhám bề mặt, cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của SFD trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Phân Tích FEM Để Đánh Giá Tần Số Cộng Hưởng và Q Factor

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để giải các phương trình MMGL và rung động, cho phép đánh giá tần số cộng hưởngQ-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. FEM cung cấp một giải pháp số chính xác cho các bài toán phức tạp, đặc biệt khi có các hiệu ứng ghép như sự loãng khí và độ nhám bề mặt.

3.3. Đánh Giá Damping Nhiệt Đàn Hồi TED và Mất Mát Năng Lượng Neo

Trong nghiên cứu, damping nhiệt đàn hồi (TED) được xác định bằng cách giải phương trình nhiệt và phương trình rung động ngang bằng số trong các bài toán giá trị riêng bằng FEM. Mất mát năng lượng neo được đánh giá phân tích từ mô hình lý thuyết trong tài liệu cho các bộ cộng hưởng micro-beam. Damping nhiệt đàn hồi (TED) bên trong và mất mát năng lượng neo được đưa vào để tính toán tổng Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam.

IV. Ảnh Hưởng Của Sự Loãng Khí Đến Q Factor Của Bộ Cộng Hưởng MEMS

Nghiên cứu phân tích và thiết kế Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam và sự đóng góp của SFD vào Q-factor tổng thể (trọng số của SFD) trên một phạm vi rộng của các điều kiện loãng khí (số Knudsen nghịch đảo và hệ số điều chỉnh (ACs)), độ nhám bề mặt (tỷ lệ độ dày màng và số Peklenik), các chế độ của bộ cộng hưởng. Kết quả cho thấy SFD bên ngoài là yếu tố chi phối để kiểm soát Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam ở các chế độ thấp hơn, áp suất cao và các điều kiện ACs, trong khi TED bên trong và mất neo chiếm ưu thế ở các chế độ cao hơn và điều kiện áp suất thấp.

4.1. SFD Chi Phối Q Factor ở Áp Suất Cao và Chế Độ Rung Động Thấp

Ở áp suất cao và các chế độ rung động thấp, SFD là yếu tố chính chi phối Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. Trong những điều kiện này, sự hao hụt năng lượng do SFD vượt trội hơn so với các cơ chế hao hụt khác như TED và mất neo.

4.2. TED và Mất Neo Quan Trọng Hơn ở Áp Suất Thấp và Chế Độ Cao

Ở áp suất thấp và các chế độ rung động cao, TED và mất neo trở nên quan trọng hơn trong việc xác định Q-factor. Trong những điều kiện này, SFD giảm đi, và sự hao hụt năng lượng do TED và mất neo trở nên đáng kể hơn.

4.3. Trọng Số Của SFD Giảm Đáng Kể Trong Các Chế Độ Cao Hơn

Trọng số của SFD giảm đáng kể ở các chế độ cao hơn và/hoặc các vùng loãng khí cao hơn (áp suất thấp hơn và ACs). Hơn nữa, ảnh hưởng của độ nhám bề mặt bị pha loãng bởi các hiệu ứng loãng khí. Q-factor phụ thuộc đáng kể vào ảnh hưởng của độ nhám bề mặt (tỷ lệ độ dày màng và số Peklenik) trong các điều kiện loãng khí cao hơn và các chế độ cao hơn của bộ cộng hưởng. Điều này cho thấy cần phải kiểm soát cẩn thận độ nhám bề mặt để đạt được Q-factor cao trong các điều kiện cụ thể.

V. Ảnh Hưởng Kết Hợp Của Độ Nhám và Loãng Khí Tới Q Factor MEMS

Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng kết hợp của độ nhám bề mặt và sự loãng khí đến Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. Kết quả cho thấy rằng ảnh hưởng của độ nhám bề mặt trở nên quan trọng hơn trong điều kiện loãng khí cao hơn và các chế độ rung động cao. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát cả sự loãng khí và độ nhám bề mặt để tối ưu hóa Q-factor.

5.1. Độ Nhám Bề Mặt Quan Trọng Hơn Trong Điều Kiện Loãng Khí Cao

Trong điều kiện loãng khí cao, ảnh hưởng của độ nhám bề mặt trở nên quan trọng hơn trong việc xác định Q-factor. Điều này là do khi áp suất giảm, khoảng cách trung bình tự do của các phân tử khí tăng lên, và các phân tử khí tương tác nhiều hơn với bề mặt không đều.

5.2. Tỷ Lệ Độ Dày Màng Ảnh Hưởng Đến Q Factor

Tỷ lệ độ dày màng (film thickness ratio) là một thông số quan trọng liên quan đến độ nhám bề mặt. Nghiên cứu cho thấy rằng Q-factor bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ độ dày màng, đặc biệt là trong điều kiện loãng khí cao.

5.3. Số Peklenik và Ảnh Hưởng Đến Q Factor MEMS

Số Peklenik là một thông số khác mô tả độ nhám bề mặt. Nghiên cứu cho thấy rằng Q-factor bị ảnh hưởng bởi số Peklenik, đặc biệt là trong điều kiện loãng khí cao và ở các chế độ rung động khác nhau. Việc hiểu và kiểm soát số Peklenik là rất quan trọng để thiết kế các bộ cộng hưởng MEMS hiệu suất cao.

VI. Kết Luận Tối Ưu Hóa Q Factor Bộ Cộng Hưởng MEMS Hiệu Quả

Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về việc giảm SFD trong một phạm vi rộng của sự loãng khí, độ nhám bề mặt và các điều kiện chế độ cộng hưởng, do đó giúp cải thiện tổng Q-factor của các bộ cộng hưởng hoạt động trong các điều kiện được kiểm soát. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế các bộ cộng hưởng MEMS với Q-factor cao hơn, dẫn đến độ nhạy, độ phân giải và độ ổn định tốt hơn trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm cảm biến, bộ truyền động và hệ thống thu năng lượng. Hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm khám phá các vật liệu mới và thiết kế cấu trúc cải tiến để giảm thêm hao hụt năng lượng và tăng Q-factor.

6.1. Hướng Dẫn Cải Thiện Q Factor Bộ Cộng Hưởng MEMS

Để cải thiện Q-factor của bộ cộng hưởng MEMS, cần phải giảm thiểu SFD, TED và mất neo. Điều này có thể đạt được bằng cách kiểm soát áp suất, nhiệt độ, độ nhám bề mặt và thiết kế cấu trúc của bộ cộng hưởng.

6.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Bộ Cộng Hưởng MEMS

Các nghiên cứu tiềm năng trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các vật liệu mới với độ hao hụt năng lượng thấp, phát triển các thiết kế cấu trúc cải tiến để giảm thiểu SFD, TED và mất neo, và phát triển các kỹ thuật chế tạo chính xác hơn để kiểm soát độ nhám bề mặt.

24/05/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

@ if- & A # i &X Dissertation for Doctor of Philosophy On die Quality’ Factors of MEMS Resonators Ẩ' Student: Chi-Cuong Nguyen 4s * Kí. âì Advisor: Wang-Long Li National Cheng Kung University Department of Materials Science and Engineering Tainan, Taiwan, R. May 2017 t 106 4- 05 24 8 On the quality factors of MEMS Resonators c lii-C uong N guy on A dissertation submitted to rhe Department of Materials Science and Engineering in partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy Nat iorut 1 Cheng-Kung University" Department of Materials Science and Engineering Tainan, Taiwan. Republic of China Approved by May 2017 Abstract Controlling of the energy dissipation mechanisms and investigations of then physical effects play key roles on the performances of many microelectromechanical system (MEMS) resonators such as accelerators, micro gyroscopes, torsional minors, microphones used in many applications such as sensors, actuates, transductors, and energy harvesting.

Two important dynamic characteristics of the MEMS resonators are its resonant frequency, and the quality factor (Q-factor) of resonators. High Q-factor (low energy loss) IS one of the major requirements for MEMS resonators operating in high sensitivities, resolutions, and overall stability of sensing system. The external squeeze film damping (SFD) of IvIE-IvIS resonators IS a dominant factor to lower the Q-factor due to their large surface area to volume ratio and as the gas flow is trapped into an ultra-thin spacing in ambient gas environment conditions. To improve the Q-factor of micro-beam resonators, lower pressure is introduced in a thin gap spacing to reduce the SFD, then the effects of gas rarefaction and surface roughness become im portant and must be taken into account.

The numerical methods were based on so bring the modified molecular gas lubrication (MMjL) equation with the databases for Poiseuille flowrate and the pressure flow factors applied for modelling the external dominant SFD problem on micro-beam resonators with coupling effects of gas rarefaction and surface roughness in a wide range of inverse Knudsen numbers and accommodation coefficients (ACs) conditions. Then, die MM3L equation, die transverse vibration equation and their corresponding boundary conditions of the micro-beams are simultaneously solved in die eigenvalue problem by a finite element methods (FEM) to evaluate die resonant frequency and the Q-factor of die SFD of micro-beam resonators. The internal thermoelastic damping (TED) is obtainedby sohring the thermal equation and the transverse vibration equation numerically in the eigenvalue problems by FEM The anchor loss is analytically evaluated from the theoretical model in the literature for micro-beam resonators. Then, the combined external SFD, thermoelastic damping (TED) and the anchor loss are included on the total Q-factor of the micro-beam resonators.

In this dissertation, the quality factors of micro­ beam resonators and contributions of SFD on total Q-factor (weighting of SFD) are I analyzed and designed over a wide range of gas rarefaction conditions (inverse Knudsen number and accommodation coefficients (ACs)), surface roughness (film thickness ratio and Peklenik number), modes of the resonators The results shown that the external SFD is dominant to control the Q-factor of the micro-beam resonators in lower modes, high pressure and ACs conditions, while the internal TED and the anchor loss are dominant in higher modes and low pressure conditions. Thus, weighting of SFD decreases significantly in higher modes and/or higher gas rarefaction (lower pressures and ACs) regions. Furthermore, effects of surface roughness are diluted by the gas rarefaction effects. The Q-factors depends significantly on the effects of surface roughness (film thickness ratio and Peklemk number) in higher gas rarefaction conditions and higher modes of the resonators.

This research provides insights into decreasing of the SFD in wide range of gas rarefaction, surface roughness and resonator modes conditions, thus help in ữn proving the total Q-factor of such resonators operating in controlled conditions. Keywords Squeeze film damping (SFD); Thermoelastic damping (TED); Quality factor; Micro-beam resonator, Gas rarefaction; Accommodation coefficient; Surface roughness n MEMS KM iW ft# N A 4 &&&& iM ỹ<#.MEMS)i»<8 ft ft$«s ’ MZ ’ *|#x frit-gilts 'MEMS igfc3ftiMMl&«i$44fi£Ai& fcriiMS ftSgE^(Q0ị)’<ậộE-T (4ỔJkỶ $ K)Ẵ. u ỉSị # ^^«ẤJtfcft^«4tíl^ĩft MEMS i»<Sfti-ft-ft-^^ ’ MEMS i&#.3ft ^4fW*<aX(5FD)j?; fg-te QmWH’ 0^A<fckftẬ(&^ỉí^i. ><> »M8 ft Q E-T ’ UtM'ftM^toflAfcteft 5FD ’ *»&-j|lâ.*fcMWmWÍ*’ ’ &te*^Ẩ£^O*ftíUrtUd$ert ^a.fcf*^£*fcM£Wầ'&.fcíSM?ỈJtft*l'SF*.4 5FD MQft Pội seui lie 2*3 &#,$♦>*E Ỹ.M íL5ỉí?ẩttíit(MMGO ft ’ M.

’ ’ «tf^<^ítf<3ft SFDftWJ£4^Q®^ • «fiffl. MQ ■ftttte^flft • íCX&4,ft^4ftĩ!Wjk^#ia4.«H ’ ÍM > SFD *L»fia^ơED)fJíírlS-«Kftte^£Ỳ-Ổi*lA,*#iSftft Q E9^ -t.SftSie^^SFD^eQE-? (SFDft4é) ft -Ồ KfcEftíUÍ^&4C£ tnuđseh ^4^íè«i(AC)) Peklenik K) ' iSMaft^AT^T^fr^a^ ’ ’ ^ểf SFDà<Wíft A.Ị?ft ọ ERCU 4é<&t>4T ’ TED ^S^Kàí-*^ ’ C)£JO ’ 5FD ft#í ®ỹ^4ổ.^Ạđ&^^ft^« ’Q E Peklenik fc)ft^5 ’^ẰWTàkg® ftầ.15ft^QE^ ’ flMtq ĩ »JỄ«ra. Then supports, that have a great meaning for me to finish this dissertation for Doctor of Philosophy. Secondly, I would like to send a special appreciation to my advisor Professor Wang- Long Li (£ ai JfiO for his patient guidance, support and encouragement through the Ph D degree.

His advice was very important to keep me various valuable comments and suggestions throughout my research, and help me to complete this dissertation In my heart, lie not only kept me a lot of lessons and deepvision in scientific research, but also shares for me a lot social experiences, keeps me the way for how to work as a real scientist. Furthermore, I want to keep my thanks to Qie-Cb Chen -ftn 4)> Hsiang-Chin Jao (-ÍẾ & i£) and anybody in my lab, because their helps, supports, and encourage through the Ph D program at all the time. TV Table of Contents ABSTRACT.IV TABLE OF CONTENTS. V LIST OF FIGURES.

VII LIST OF TABLES.XI NOMENCLATURE •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••a XII CHAPTER 1.2 Literature Studies and Research Focus.1 Squeeze Film Damping (SFD) in MEMS Resonators.2 Thermoelastic Damping (TED) in MEMS Resonators.3 Anchor Loss in MEMS Resonators.4 Other Losses in MEMS Resonators.3 Scope of Study and Research Motivation. THE ORETICAL MODELS.1 The Modified Molecular Gas Lubrication (MMGL) Equation for SFD problem .21 2 11 The Navier-Stokes Equations.2 The Continuity Equations.3 The Reynolds Equation.4 The Modified Molecular Gas Lubrication (MMOL) Equation.5 The Poiseuille Flow Rate and Pressure Flow Factors.2 The Transverse Vibration Equation of Micro-beam Resonators.3 The Thermoelastic Damping of Micro-beam Resonators.4 The Anchor Loss of Micio-beam Resonators.1 Eigenvalue Problems Procedures.2 Derivations for Eigenvalue Problems.2 Quality Factors of Micro-beam Re senators Calculations.1 Quality Factors in the Eigenvalue Problems.2 Total Quality Factors of Micro-be am Calculations. EFFECTS OF GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS.2 Results and Discussion.1 Pbiseuille Flow Rate Correctors.2 Quality Fac tor of Mic ro-beam Resonator in the First Three Modes.3 Quality Factor of Micro-beam Resonator in Modes Higher Than Three. COUPLED EFFECTS OF SURFACE ROUGHNESS AND GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS.2 Results and Discussion.1 Pressure Flow Factors.2 Effects of Gap Film Thickness.3 Quality Fac tors, c SPU arid 83 5.4 Effects of Surface Accommodation Coefficients, ACs.86 5 2 5 Effects ofFilm Thickness Ratio.

87 5 2 6 Effects of Peklenik Number.7 Effects of Modes of Micro-Beam Resonators. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK.2 Recommendations for Future Work.■••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••a 106 VI List of Figures Page Figure i 1 Simple vibrational structures: (a) micro-cantileverbeams [5], (b) microbridges [6], (c) thin membranes [7] 1 Figure 1.2 Controlled dynamic performance of micro-cantilever beam in high frequencies [11] 2 Figure 1.3 Different MEMS resonators from the simple structure to various degrees of structural complexities Pandey and Pratap [12] such as (a) a micro-cantilever be am [5], (b) a comb-drive folded beam [14|; (c) a proof mass gyroscope suspended bymulti pie beams, (d) a hexagonal membrane used in a capacitive micromachined ul trasound transduce r (cMUT) [15] 3 Figure 2.1 Schematic representation of dynamic vibration of the resonators underthe SFD (Nguyenand Li (2016) [32]) 22 Figure 2.2 Stresses on two or three surfaces ofa fluid element in a viscous fluid in Hamroc k [42] 23 Figure 2.3 Velocities and densities for mass flow balance through a flux volume eleme nt in two dimensions in Hamrock [42] 29 Figure 2.1 Qu versus with various combined asymmetric ACs (ff|,at) for vanous Da conditions 53 Figure 4.2 Convergence of the computed Q-factor (Qsroi due to the SFD contribution with the number ofelements N' (N, X jVjp X ỈỈN) 54 Figure 4.3 (a) Real part of complex eigenvalue (damping factor (6 )) versus with various ambient pressure for different modes of the resonator by the SFD, (b) Imaginary part of complex eigenvalue (resonant frequency(úJ„)) versus with various ambient pressure for different modes of the re senator by the SFD 58 Figure 4.4 The Q-factor is plotted with both the SFD, TED and anchor loss VII for various re sonant frequencies.5 (a) The Q-factorbythe SFD (versus ambient pressure (or Do) for various modes of the resona tor with a =0.0; (h) The total Q-factor(Pr) bythe coupled SFD, TED and anchor loss versus ambient pressure (or Do) for various modes of the resonator with a =0.7 and ex=10 62 Figure 4.6 (a) Weighting of SFD () plotted with various ambient pressure or Da for different modes of the re sona tor and ACs (a, = dij = 1.0); (b) Weighting of SFD () plotted with various ambient pressure or for different modes of the resonator and ACs (a, = (Xj - 0.7 Weighting of s FD () are plotted with various symme tnc AC’s (a, = (Xj) for different modes of the resonator Ổ6 Figure 4.8 Weighting of SFD () are plotted with various asymmetric ACs(a|;izj forthe 2nd mode of the resonator Ổ7 Figure 4.1 A schematic diagram of the two squeezed rough surfaces (Lietal.3 Pressure flow factor (versus Peklenik number (Y) with ch fie rent film thickness ratios Hg (=3,4, 6) for (a) various ACs (<x, = <Zj)atD0 = 10; (b) various Do at ACs(ơ, = <z2=0.4 Specific Pekleruk number (Yi) fo* (i** =1 ) versus Da for various ACs (<z( = Oj) 20 Figure 5 5 Imaginary parts (resonant frequency ứ>n = 2^fn), <b> real parts (damping factor, <5 ) of complex eigenvalue ( z ); (c) Resultant Q-factor of the SFD (Qgrt = CVB fQ 6)) ve rsus ambient pressure for various hf, (=4,6, 8,10 pm) with three kinds of Pekleruk number (Y =9,1,1/9) 83 Figure 5.7 Ratio of Qgro K.Qĩpd) versus film thickness ratios (Hg) for Peklenik number, Y (=9,1,1/9) and ACs (a, = Oj) conditions for (a) Dfl=0.l, 3rdmode,(d) D0=l, 1st mode, (e) j?0=l, 2nd mode, (f) I{|=1, 92 3rd mode, (g) Da=10,1st mode of the resonator Figure 5.TOOf* in the 2U mode versus Peklemk number (x) for various ACs (at = <Xj) 9Ố Figure 5.9 fôtio of (b) ratio of ổr versus Peklenik number (x) for different modes of the resonator 98 K Figure 5 10 Weighting of SFD (KỸím(%)) versus ambient pressure or Do for various modes of the resonator with different Peklemk number (r =9,1,1 /9) for (a) ACs ((X, = a, = i .2) X List of Tables Page Table 4.1 A rectangular micro-beam parameters and gas film operating parameters 52 Table 4.2 Comparison of the damping ratio (^ = l/2p) results and (%) Errors with Pande y and Pratap (2007) [5] 56 Table 4.3 Q-factorversus with the TED (Ôxd) with different flexural modes of micro-beam resonator 58 Table 4.4 Q-factor versus with the anchor loss () with different flexural modes of the resonator 59 Table 5.1 A rectangular micro-beam parametersand gas film operating parameters 75 Table 5.2 Resultant Q-factor of SFD for smooth cases, (Ổszo)12 calculated with diffe rent gas rare faction conditions of Do (=0.0) for various modes of resonator conditions Table 5.3 Resultant Q-fac tor of TED (Qrsa) are calculated for various resonant frequenc les (/„) of the resonator 85 Table 5.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu các yếu tố chất lượng của bộ cộng hưởng MEMS" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của bộ cộng hưởng MEMS, một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực cảm biến và vi điện tử. Nghiên cứu này không chỉ phân tích các yếu tố kỹ thuật mà còn đề xuất các phương pháp cải thiện hiệu suất của bộ cộng hưởng, từ đó giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong các ứng dụng thực tiễn. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất, từ đó có thể áp dụng vào các dự án nghiên cứu và phát triển của riêng mình.

Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo tài liệu Luận văn nguyên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cảm biến vi lỏng phát hiện vật thể trong kênh dẫn. Tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ứng dụng của công nghệ MEMS trong việc phát triển các hệ thống cảm biến hiện đại. Mỗi liên kết đều là cơ hội để bạn khám phá sâu hơn về chủ đề này và mở rộng kiến thức của mình.