谐振型石墨烯加速度计的损耗机理研究

The resonant graphene accelerometer (RGA) combines excellent mechanics and mechanism properties of graphene with the technique of MEMS accelerometer, with the advantages of high performance, low energy consumption and low cost. However, the deadly drawback of RGA and other graphene NEMS is its lower quality factor, that is these NEMS have larger dissipation. Therefore, the reduction of dissipation is the key-point to develop high-performance RGA. To this end, based on the RGA structure and resonant and deformation models, this proposal will emphasize on the research of dissipation mechanism of air squeeze-film damping and resonance-induced current whirlpools, by using the squeeze-film damping theory and hydrodynamics theory. Firstly, on the basis of resonant model for RGA obtained by using the strain gradient theory, the squeeze-film damping and aerodynamics theories will be used to establish the air squeeze-film damping model of RGA so as to understand the relationship between the air squeeze-film damping of RGA and its parameters. Secondly, based on the deformation model of RGA, the current whirlpools transmission and heat loss models will be established by using the hydrodynamics. And then the properties of current whirlpool loss can be explored by solving models numerically and using finite element analysis. After that, valid methods of reducing dissipations of RGA will be proposed so as to solve the problem of low quality factor of RGA. This proposal results will provide theoretical foundation and technical supports for the research and applications of novel high-performance RGA.

谐振型石墨烯加速度计（RGA）把石墨烯材料的优异力学和机械特性跟MEMS加速度计技术相结合，具有高性能、低功耗、低成本等优势。但RGA的致命缺点是品质因子较低（阻尼损耗较大），严重制约了RGA的发展。为此，本项目拟结合RGA结构及谐振和受力形变模型，引入压膜阻尼和流体动力学理论，重点研究RGA中的压膜阻尼损耗和谐振感生电涡流损耗机理。首先，在基于弹性应变梯度理论建立的RGA谐振模型基础上，采用压膜阻尼和空气动力学理论，建立RGA的压膜阻尼损耗理论模型，弄清RGA的压膜阻尼损耗特性；在RGA的受力形变模型基础上，采用流体动力学理论建立石墨烯薄膜谐振面上的电涡流传输及热损耗理论模型，探明RGA的谐振感生电涡流传输规律及损耗特性。最终提出降低RGA损耗的有效方法及补偿措施，解决RGA品质因子较低这一现实问题。本项目研究将为推动下一代新型高性能石墨烯加速度计的研究和应用提供重要的理论和技术支撑。

背景：.加速度计是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动、导航等常用的测量仪器。谐振型石墨烯加速度计（RGA）把石墨烯材料的优异力学和机械特性跟MEMS加速度计技术相结合，具有高性能、低功耗、低成本等优势。但RGA的致命缺点是阻尼损耗较大，严重制约了RGA的发展。本项目重点研究了RGA的压膜阻尼损耗和电涡流损耗产生的物理机制，并建立了两种损耗的数学模型，定量分析了影响两种损耗的主要因素，在此基础上给出了降低两种损耗的优化方法。.主要研究内容.（1）结合RGA结构，分析了RGA压膜阻尼产生的物理机制；根据分子碰撞理论，推导了RGA压膜阻尼损耗公式，并分析了影响RGA压膜阻尼损耗的因素。在此基础上提出了降低RGA压膜阻尼损耗的方法；（2）提出了一种RGA电涡流损耗的理论模型，介绍了其产生机理与影响因素；（3）采用电容公式与Kirchhoff薄板理论，推导了两边固支石墨烯谐振电涡流损耗的品质因子公式，并分析了凹槽深度、激励电压等因素对品质因子的影响；（4）利用有限元仿真，分析了石墨烯与基底间距、激励电压等因素对RGA品质因子的影响；（5）研究了四边固支条件下的RGA电涡流损耗品质因子随器件内外参数的变化趋势。.重要结果.（1）RGA压膜阻尼的品质因子随着压强的增大而减小，随温度增大而增大。RGA电涡流损耗品质因子随石墨烯几何尺寸、激励电压的直流及交流部分的减小而增大，随石墨烯与基底间距、石墨烯振幅、角频率、电子迁移率的增大而增大。（2）参数耦合不会对品质因子的变化趋势产生影响；（3）在品质因子随参数的变化趋势上，四边固支与两边固支基本一致。在相同参数下，四边固支的品质因子要略低于两边固支。但是，四边固支条件下的电涡流损耗较小。.科学意义.通过本项目的研究，弄清了RGA中的压膜阻尼损耗和谐振感生电涡流损耗产生的物理机制，找到了影响这两种损耗的制约因素，提出了降低RGA损耗的方法和措施。这些研究结果为提高RGA的品质因子，发展小型化、高性能石墨烯加速度计提供了理论和技术基础。