MEMS器件建模與仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、MEMS技術(shù)是一個(gè)前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域,廣泛涉及到多個(gè)學(xué)科:機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、熱力學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科,各個(gè)學(xué)科之間產(chǎn)生交叉耦合作用。目前,MEMS器件中的機(jī)械動(dòng)作應(yīng)用最多的是靜電力驅(qū)動(dòng)。同時(shí),梳齒式結(jié)構(gòu)成為MEMS器件的典型結(jié)構(gòu),在MEMS器件中有著廣泛的應(yīng)用:微機(jī)械諧振器、叉指式微機(jī)械加速度計(jì)、微鏡、微泵等。因此,具有靜電驅(qū)動(dòng)原理和梳齒式結(jié)構(gòu)的MEMS器件成為專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。
　　本文的主要研究內(nèi)容由以下幾個(gè)方面

2、構(gòu)成:
　　1、詳細(xì)介紹了微觀領(lǐng)域的尺度效應(yīng),具體分析了尺度效應(yīng)對(duì)材料特性和靜電特性的影響。詳細(xì)介紹了微機(jī)電器件的力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),總結(jié)了幾中常見的彈性梁結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步分析了各種彈性梁的力學(xué)特性,同時(shí)闡述了微機(jī)電系統(tǒng)中不可忽略的擠壓薄膜阻尼的計(jì)算方法,為進(jìn)一步的研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　2、詳細(xì)介紹了MEMS器件的建模與仿真分析中使用的宏建模方法,常用的宏建模方法有節(jié)點(diǎn)分析法、等效電路法、黑箱分析模型法、降階模擬法以及耦合電路分

3、析方法等。并具體針對(duì)MEMS的典型器件微機(jī)械諧振器進(jìn)行了等效電路的分析和耦合電路分析,得到了一致的結(jié)果,很好的說明了等效電路法和耦合電路分析方法對(duì)MEMS器件仿真建模的有效性和準(zhǔn)確性。針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的MEMS器件的建模與仿真分析問題,提出了基于Krylov子空間法的Arnoldi算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的微分方程進(jìn)行降階處理,詳細(xì)介紹了Krylov子空間法的基本原理和Arnoldi算法實(shí)現(xiàn)的基本流程,并具體針對(duì)兩端固支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的降階處理

4、,減少了計(jì)算工作量。以上分析證明了宏建模方法能夠用于MEMS器件的建模與仿真分析。
　　3、首先詳細(xì)闡述了微機(jī)械加速度計(jì)的工作原理、檢測(cè)原理以及驅(qū)動(dòng)原理。其次針對(duì)叉指式微機(jī)械加速度計(jì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析,同時(shí)分析了微機(jī)械加速度計(jì)的靜電剛度系數(shù)、分辨率、穩(wěn)定性以及最大量程等性能指標(biāo)。最后針對(duì)MEMS的多學(xué)科性,將叉指式微機(jī)械加速度計(jì)分為兩個(gè)學(xué)科和三個(gè)學(xué)科分別進(jìn)行學(xué)科子系統(tǒng)的建模與仿真優(yōu)化,并運(yùn)用多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)各個(gè)學(xué)科子系統(tǒng)模型進(jìn)