NEMS 谐振器的电热驱动：建模与实验验证
介观与纳米尺度物理
2023-10-26 v1
摘要
我们结合数值模拟与解析解研究纳米机械运动的电热驱动。纳米电热致动器结构为 u 形金纳米电阻，其制备于双端固支纳米机械梁或微悬臂谐振器的锚点上。该设计已在近期实验中成功应用。在我们基于有限元分析（FEA）的模型中，输入为交流电流；我们首先依据欧姆定律与热方程计算由 Joule 加热引起的温度振荡；随后通过将温度场耦合至含张力的 Euler-Bernoulli 梁理论，确定热致弯矩与梁的位移分布。我们的模型高效融合瞬态与频域分析：以瞬态方法计算温度场，再将该温度场作为谐波扰动施加，以在频域确定机械响应。这一独特建模方法较完全瞬态 FEA 方法计算复杂度更低、精度更高且速度更快。我们的动力学模型在时域计算宽驱动频率与幅值范围内的温度与位移场。我们将数值结果直接与真空中 NEMS 梁本征模附近的实验测量位移幅值比较以作验证。我们的模型预测所述特定结构在真空中的热时间常数为 1.9 ns，表明电热驱动在约 80 MHz 以内高效。我们还考察了致动器浸没于多种流体中的热响应。
引用
@article{arxiv.2310.16196,
title = {Electrothermal Actuation of NEMS Resonators: Modeling and Experimental Validation},
author = {Monan Ma and Kamil L. Ekinci},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.16196},
year = {2023}
}