基于隧道场效应管传感的纳米梁非线性振动控制研究

论文摘要

纳米梁作为纳机电系统（Nano-Electro-Mechanical Systems,NEMS）的重要构件,常被用来制作高精度的传感器。但是,随着尺寸的进一步减小,纳米梁在振动中容易出现多值、分岔等非线性现象,导致谐振器出现不稳定振动,甚至产生吸合现象,影响其工作稳定性。因此,消除振动中的非线性影响是纳微器件设计过程中首要考虑的问题。纳微器件的非线性振动控制成为纳机电系统的一个重要研究方向。本文研究了基于隧道效应、场效应传感、隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制,通过理论分析与数值模拟仿真相结合的研究方法,分析了影响纳米梁非线性振动控制的因素。首先,以Euler-Bornoulli悬臂梁为振动模型,提出了基于电子隧道效应的纳米梁非线性振动控制方法。隧道效应电流具有高灵敏性、高精确性的特点,可用于检测纳米梁的振动信号。应用位移和速度电压反馈控制器,考虑无时滞和有时滞反馈两种情况,建立基于隧道效应的纳米梁非线性振动控制方程,应用多尺度方法得到纳米梁主共振的幅频响应方程。研究了直流和交流激励电压、控制增益和时滞等参数与纳米梁振动非线性之间的关系,得到了减弱系统非线性、增强系统稳定性的影响因素。其次,研究了基于场效应传感的纳米梁非线性振动控制。建立含有场效应传感控制的纳米梁振动微分方程,考虑主共振和三次超谐共振情况,研究了影响纳米梁非线性振动控制的因素。通过幅频曲线分析得出,振动控制参数、时滞反馈参数、阻尼值、纳米梁与极板间的初始距离、栅电压、源漏电压等都是影响纳米梁振动幅值和非线性的因素。在一定范围内,振动控制参数、时滞反馈参数的变化可以调节振动非线性项、时滞非线性项和振动阻尼项的大小。通过选择适当的参数,使纳米梁的振动保持在平衡稳定状态。最后,考虑主共振和三次超谐共振情况,研究了基于隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制问题,分析了影响纳米梁非线性振动控制的因素以及如何通过调节各因素对非线性进行有效地控制。研究发现,振动阻尼、振动反馈控制参数、纳米梁与极板间的距离、外部初始电压、栅电压等都对纳米梁的最大振幅和振动非线性具有一定的影响。研究表明,纳米梁隧道效应、场效应传感、隧道场效应传感对振动信号提取表现出更高的灵敏性和精确性,对纳米梁非线性具有良好的控制作用。在一定范围内,通过选择适当的系统参数、振动控制参数和时滞反馈参数等可以对振动非线性进行调节,将其控制在合理范围内,从而实现对纳米梁非线性振动的有效控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 微纳机电系统概述
•   1.2 研究背景及研究意义
•   1.3 研究现状
•     1.3.1 纳米梁非线性振动控制研究现状
•     1.3.2 隧道效应、FET、TFET传感研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 第二章 基于隧道效应的纳米梁非线性振动控制
•   2.1 纳米梁隧道电流反馈控制振动模型
•     2.1.1 纳米梁隧道电流反馈控制梁的非线性振动
•     2.1.2 数值模拟及分析
•     2.1.3 小结
•   2.2 基于隧道效应纳米梁非线性振动时滞控制模型
•     2.2.1 主共振分析
•     2.2.2 主共振幅频响应理论分析
•     2.2.3 主共振数值模拟及分析
•     2.2.4 小结
•   2.3 本章小结
• 第三章 基于场效应管线性反馈的纳米梁非线性振动控制
•   3.1 基于场效应管的纳米梁非线性时滞振动控制模型
•   3.2 主共振分析
•     3.2.1 主共振幅频响应分析
•     3.2.2 主共振定常解的稳定性分析
•     3.2.3 主共振数值模拟及分析
•     3.2.4 小结
•   3.3 三次超谐共振分析
•     3.3.1 三次超谐共振幅频响应分析
•     3.3.2 三次超谐共振定常解的稳定性分析
•     3.3.3 三次超谐共振数值模拟及分析
•     3.3.4 小结
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制
•   4.1 基于隧道场效应传感的纳米梁非线性振动控制模型
•   4.2 主共振分析
•     4.2.1 主共振幅频响应分析
•     4.2.2 主共振数值模拟及分析
•     4.2.3 小结
•   4.3 三次超谐共振分析
•     4.3.1 三次超谐共振幅频响应分析
•     4.3.2 三次超谐共振定常解的稳定性分析
•     4.3.3 超谐共振数值模拟及分析
•     4.3.4 小结
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 研究展望
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜瑞瑞

导师: 刘灿昌

关键词: 纳米梁,非线性振动控制,隧道场效应,场效应传感,多尺度法

来源: 山东理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,无线电电子学

单位: 山东理工大学

分类号: O322;TN386

DOI: 10.27276/d.cnki.gsdgc.2019.000163

总页数: 76

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