稀薄空气热压膜阻尼理论与实验研究

稀薄气体压膜阻尼是真空封装的微机电器件的主要阻尼形式，是微机械动力学中有待解决的重要理论问题。本项目提出稀薄气体压膜阻尼是由气体流动和热效应共同引起的，应当称为热压膜阻尼。气体流动和热效应分别遵守质量守恒与能量守恒。本项目拟建立基于质量守恒与能量守恒方程的热压膜阻尼二维解析模型，通过模拟与实验拟合得到典型微机械材料气固界面的热适应系数，通过判别实验验证模型，在二维模型与热适应系数数据库的基础上编制成数值计算工具，为微机电器件设计提供稀薄气体阻尼的分析方法与工具。本项目的研究内容包括二维解析模型研究、典型材料气固界面热适应系数计算与拟合、模型的实验验证、数值计算工具开发等内容。本项目有望在国际上率先明确稀薄气体压膜阻尼的机理，实现稀薄气体压膜阻尼问题的精确求解，并研制成数值计算工具。

本项目提出了一种微机电系统器件的稀薄气体压膜阻尼模型。稀薄气体压膜阻尼是微机械陀螺、谐振器等多种真空封装MEMS器件的主要损耗机制。现有的稀薄气体压膜阻尼模型沿用了连续流体压膜阻尼模型的等温气体假设。本项目提出，在自由分子流情况下，由于气体与MEMS结构热交换不充分，运动极板挤压气体引起气体温度变化，而热效应会引起额外的阻尼。自由分子流压膜阻尼同时由气体流动和热效应引起，应当称为热压膜阻尼。通过求解质量守恒与能量守恒方程，计算了热效应和气体流动效应引起的阻尼。采用Maxwell分布得到了解析模型，并将模型与已发表的实验作了比较。本文还讨论了热适应系数、表面粗糙度和气体分子自由度也对热压膜阻尼有影响。为了进一步验证模型，基于SOI工艺研制了一种MEMS结构，利用激光多普勒测振仪对结构Q值进行了测量，实验结果与理论定性吻合。