流体中微结构在高频激光激励下的多场耦合行为研究

Due to wide application of MEMS and NEMS in engineering fields, the system complexity highlights the multifields coupling and size effect. Theoretical study become more and more imporant. Based on the application of high frequency photothermal technologies in microscale measurement, the coupled multifields problem of microstructure immersed in the fluid will be studied systematically through theoretical modelling, numerical simulation and experimental measurement in this project. First of all, based on fluid structure coupling, phothermal coupling and size effect, the mechanical model of the dynamic response of the microstructure in the fluidic environment will be estabilished. Secondly, the influence of the shape and thermodynamic properties of micro structure, and the effect of thermodynamic properties of fluid on the dynamic response spectrum will be studied by numerical calculation. Finally, the vibration response of microstructure will be measured using the apparatus named “thermoelastic microscopy”, which is based on the principle of heterodyne interferemeter, under different fluidic environmental condition, also the measurement results will be compared with that of theoretical simulation. On the basis of above research, we expect to clarify the mechanism of interaction between laser and materials during laser excitation, to analyze the coupling physical mechanism among laser, thermal, microstructure and fluids, to theoretically reveal the influence of multifields effect, non-Fourier effect and size effect on the response of microstructures during photothermal process. Through the research of this project, we strive to provide theoretical support for the research and development of micro devices.

随着微纳系统在工程领域的广泛应用，系统复杂性导致的多物理场耦合及尺度效应凸显，理论研究的重要性日益突出。本项目以高频激光光热技术在微尺度测量中的应用为基础，通过理论建模、数值模拟和实验研究，对流体环境中微结构的多场耦合问题进行系统研究。首先，基于流固耦合、光热耦合和尺度效应，建立高频光热驱动下处于流体环境中的微结构动态响应的力学模型；其次，通过数值模拟研究微结构的形状、热力学性能，流体的热力学特性等对微结构动力响应谱的影响；最后，运用高分辨率“热弹性显微镜”对微结构在流体环境下的振动响应进行测量并和理论计算的结果进行比较。在上述研究的基础上，从理论上阐明高频激光激励下光与物质的相互作用机理，分析光、热、微结构与流体的多场耦合的物理机制，揭示多场耦合效应、非Fourier效应和尺度效应对微结构光热振动的影响。通过本项目的研究，力争为微纳器件的研制和开发提供理论上的支持。

随着微纳系统在工程领域的广泛应用，系统复杂性导致的多物理场耦合及尺度效应凸显，理论研究的重要性日益突出。本项目以高频激光光热技术的应用为基础，通过理论建模、数值模拟和实验研究，对光热激励下微结构的多场耦合问题进行系统研究。主要研究内容及重要结果如下：(1)建立了微悬臂梁在光热激励下的振动模型并得到了其解析解，运用热弹性显微镜测量了各种涂层微悬臂梁的在一阶共振频率附近的振动响应，理论和实验结果吻合良好；(2)运用热弹性耦合理论研究了在光热驱动力和流体驱动力共同作用下的流体中的微结构的振动响应，讨论了流体密度、粘度以及悬臂梁的几何尺寸、截面形状等对振动特性的影响。考虑微尺度效应，在偶应力理论下研究了微结构的振动并揭示了尺度效应对结构响应的影响。对功能梯度微悬臂梁，讨论了梯度因子对共振频率、振动品质因子的影响，揭示了流体与结构的相互作用机理；(3)研究了纳米半导体介质中波的反射问题。建立了在耦合的非局部弹性理论、波型热传导理论和等离子扩散理论下问题的控制方程，运用谐波法得到了反射系数率的解析表达式，给出了硅纳米结构中相速度、群速度随非局部参数的变化并讨论了非局部参数、热电耦合参数以及热弹性耦合参数对反射系数率的影响；(4)建立了双尺度渐近均匀化方法的力学模型，将带有小参数的位移渐近展开式代入湿热力耦合控制方程，利用一阶渐近展开分析得到了微尺度复合材料胞元的有效性能参数的表达式，利用二阶渐近展开分析得到了高阶近似表达式并运用有限元方法进行了在湿热力耦合作用下的结构响应研究；(5)建立了非线性双陷阱模型，研究了半导体微结构的光热载流子成像问题。从理论上模拟了在某些激光强度下，频响曲线出现的突变现象，并揭示了其物理本质，运用激光外差测量方法对半导体器件进行测量，通过优化方法对实验结果和理论模拟进行拟合，反演了半导体材料参数。通过本项目的研究，对光热方法的工业应用有一定指导意义。