[论文解读] Identification of Test Structures for Reduced Order Modeling of the Squeeze Film Damping in Mems

Aurelio Somà, Giorgio De Pasquale|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Bladed Disk Vibration Dynamics参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了一套数值与实验相结合的框架，用于识别用于MEMS微板压缩膜阻尼降阶建模的最优测试结构。通过有限元模拟（FEM）与光学干涉测量，评估孔几何形状和板尺寸对阻尼与刚度的影响，并利用实验数据验证FEM结果，从而实现MEMS动力学的精确、高效建模。

ABSTRACT

In this study the dynamic behaviour of perforated microplates oscillating under the effect of squeeze film damping is analyzed. A numerical approach is adopted to predict the effects of damping and stiffness transferred from the surrounding ambient air to oscillating structures ; the effect of hole's cross section and plate's extension is observed. Results obtained by F.E.M. models are compared with experimental measurements performed by an optical interferometric microscope.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的MEMS微板压缩膜阻尼降阶建模方法。
• 识别可准确表征阻尼行为的测试结构，以用于简化模型。
• 分析孔截面形状与板延伸对阻尼与刚度影响。
• 通过光学干涉测量，将数值FEM预测结果与实验测量数据进行对比验证。
• 通过验证后的测试结构，支持更精确、高效的MEMS器件仿真设计。

提出的方法

• 采用有限元模拟（FEM）模拟穿孔微板在压缩膜阻尼作用下的动态行为。
• 改变几何参数，如孔截面形状与板尺寸，以研究其对阻尼与刚度的影响。
• 利用光学干涉显微镜进行实验测量，捕捉实时动态响应。
• 将FEM仿真结果与实验数据进行对比，验证模型精度。
• 利用验证后的FEM模型，识别适用于降阶建模的代表性测试结构。
• 将该框架应用于MEMS器件，并以DTIP 2007会议论文集中的案例作为基准进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 孔几何形状的变化如何影响穿孔微板中的压缩膜阻尼？
• RQ2 板延伸对MEMS结构中阻尼与刚度有何影响？
• RQ3 FEM对压缩膜阻尼的模拟结果与实验测量结果在多大程度上吻合？
• RQ4 哪些微板几何构型可作为降阶建模的最优测试结构？
• RQ5 经过验证的FEM模型能否高效预测真实MEMS器件中的阻尼行为？

主要发现

• FEM模拟表明，孔截面形状与板尺寸显著影响来自环境空气的阻尼与刚度传递。
• 通过光学干涉测量获得的实验数据证实了FEM对动态响应预测的准确性。
• 本研究识别出特定的微板几何构型，其表现出一致且可预测的阻尼行为。
• 观察到FEM结果与实验数据之间存在强相关性，验证了数值模型的可靠性。
• 所识别的测试结构可实现MEMS中压缩膜阻尼的可靠降阶建模。
• 该框架支持高效、精确的MEMS设计与仿真模型开发。