穿孔MEMS器件中的粘性阻尼研究
2025-05-31 16:58:35 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

这项研究工作为穿孔MEMS器件的粘性阻尼预测提供了一种高精度的方法，为阻尼设计和动态性能优化提供了有效指导，对推动MEMS领域的技术进步具有重要意义。

微机电系统（MEMS）在航空航天、惯性导航、传感以及医疗等领域具有广泛应用。在非真空环境中，粘性阻尼是MEMS器件能量耗散的主要方式，显著影响其灵敏度、频率响应和带宽等关键性能指标。研究表明，有序的穿孔结构能够有效控制流体流动，大幅降低MEMS器件的粘性阻尼。因此，深入研究穿孔结构对粘性阻尼的调控机制，对于优化MEMS器件的动态性能具有重要意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，西北工业大学和浙江大学的研究团队提出两种能够精确预测粘性阻尼的理论模型，这两种模型在高射孔比和低射孔比下分别表现出独特优势，并且都考虑了复杂边界条件和多种孔形。通过建模、仿真和振动实验，研究人员验证了两种模型的高精度、互补性和有效性。研究发现，穿孔结构能够使粘性阻尼显著降低（>1个数量级），尤其是梯形孔能以更小的表面积牺牲实现更优异的阻尼减弱效果，这为MEMS器件的阻尼设计和动态性能优化提供了重要理论支撑和实践指导。相关研究成果以“Investigation of viscous damping in perforated MEMS devices”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

这项研究工作提出了两种互补的理论模型，用于分析穿孔MEMS器件中的粘性阻尼。两种模型都将穿孔板视为均匀分布的单元阵列，每个单元包含一个单孔。然而，两种模型对流体行为的建模方式不同，导致它们对不同穿孔率的适应性各异。第一种模型是基于连续性方程的粘性阻尼模型。该模型将阻尼力视为整个板下方位置的连续函数，并假设孔内气流在板面积上均匀分布，在这些假设条件下推导穿孔板的雷诺方程，并通过在整个板上求解该方程得到整体阻尼特性。第二种模型是基于单元分类的粘性阻尼模型。在该模型中，根据边界条件对单元进行分类，通过精确计算单个单元的阻尼系数并乘以单元总数，得到整个穿孔板的粘性阻尼。

穿孔MEMS结构示意图

图1 穿孔MEMS结构示意图

重要的是，这两种模型都创新性地融合了复杂边界条件以及多种孔形，包括圆柱孔、圆锥孔、棱柱孔和梯形孔，从而增强了它们对更复杂MEMS器件的适用性。本研究所提出的模型通过仿真和实验进行了全面验证。结果表明，这两种模型分别在高穿孔率和低穿孔率场景下展现出独特优势，实现了完美互补，并且能够对几乎所有穿孔配置（包括不同的穿孔率、孔数量和几何形状）进行准确的阻尼预测，误差低于10%。此外，研究表明，与传统圆柱孔相比，梯形孔表现出更优的阻尼减弱效果，在相同穿孔率下可额外实现近50%的阻尼降低。这些发现为谐振器的性能提升提供了新路径，在电容式、声学和光学MEMS器件中具有巨大应用潜力。

穿孔板的边界效应示意图