流体场等效电路建模

发布时间：2017-09-16 07:36

  本文关键词：流体场等效电路建模

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【摘要】：随着MEMS设计技术的发展,有限元分析越来越不能满足CMOS-MEMS的整体设计,系统级仿真和分析对器件的设计和优化必不可少。系统级仿真的重要方法之一就是建立等效电路。本论文针对工作在流体场内的器件的物理特性,研究新的建立等效电路的方法,创新性地提出压膜阻尼效应和风速传感器温度场的等效电路模型。不同于传统机电类比建立等效电路的方法,本文提出了一种新的适用于分布式参数的耦合电感单元矩阵结构。以变压器原理为理论基础,提出包括初级电感回路和次级电感回路单元矩阵在内的新的电路结构。利用结构中次级回路电感与初次回路电感两端电压比值分布表征流体场中分布式物理量的分布,将流体域问题转化为电域问题。压膜阻尼效应是影响器件动态特性的重要效应。结构垂直方向的运动使得膜下空气层产生压强分布。将分布量表征为矩阵形式,直观地转化为电压分布。对于方形薄膜和双端固支梁,其空气层内的压强分布有不同的表征形式和计算方法。建立这两种结构的运动阻尼等效电路模型,将流体场行为以等效电路模型形式进行表征,可以无缝连接到外部电路实现系统级仿真。区别于传统的有限元软件分析或采用等效阻尼系数分析方法,本文利用流体场的等效电路模型进行阻尼分析,其精度接近于有限元分析,效率接近于等效阻尼系数分析。风速风向传感器以相较于无风状态时的平衡温度对称分布,风会引起热平衡后表面温度分布不再对称的现象为原理。本文分析了恒温差工作控制模式下的一维传感器表面温度分布,进而推导出二维传感器表面温度场。文章采用耦合电感单元矩阵等效电路建模方法建立针对传感器温度场的等效电路,将仿真结果与实验结果对比,数值吻合,进而验证了等效电路建模方法的可行性。论文中对MEMS器件流体场建立等效电路仿真均是在SPICE软件下实现,利用该软件可以网表输入的特点,结合MATLAB编程,实现了电路参数更改和仿真结果提取的自动化,简化了操作流程。本论文为流体场等效电路建模提供了新的技术路径和系统级模拟难题解决的新方法。
【关键词】：耦合电感 压膜阻尼 风速计 温度场 等效电路
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;O35
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 流体场概念9-13
• 1.1.1 流体的定义9
• 1.1.2 流体流动分类9-13
• 1.1.3 流体场研究意义13
• 1.2 MEMS设计方法与MEMS CAD13-15
• 1.2.1 MEMS设计流程13-14
• 1.2.2 MEMS CAD14-15
• 1.3 MEMS的建模分类15-17
• 1.3.1 系统级设计16
• 1.3.2 器件级设计16
• 1.3.3 物理级设计16-17
• 1.3.4 工艺级设计17
• 1.4 等效电路建模17-18
• 1.5 本论文的主要工作18-19
• 第二章 MEMS器件等效电路建模方法及其拓展19-27
• 2.1 F-V类比19-20
• 2.2 F-I类比20-21
• 2.3 耦合电感单元矩阵类比21-24
• 2.3.1 分布式物理量矩阵形式21-22
• 2.3.2 耦合电感电路提出22-23
• 2.3.3 电路原理分析23-24
• 2.4 等效电路实现系统级建模与分析24-25
• 2.5 本章小结25-27
• 第三章 压膜阻尼等效电路建模27-43
• 3.1 微机械结构的空气阻尼27-30
• 3.1.1 滑膜阻尼27-28
• 3.1.2 压膜阻尼28
• 3.1.3 压膜阻尼效应研究28-29
• 3.1.4 对阻尼效应等效电路建模意义29-30
• 3.2 方形薄膜等效电路建模30-35
• 3.2.1 方形薄膜压膜阻尼运动模型30-31
• 3.2.2 匝比与耦合系数的确定31
• 3.2.3 等效电路建模的SPICE实现31-33
• 3.2.4 示例分析33-35
• 3.3 双端固支梁等效电路建模35-42
• 3.3.1 大长宽比平板结构35-39
• 3.3.2 双端固支梁的理论分析39-41
• 3.3.3 双端固支梁等效电路建模41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 热式风速传感器温度场的等效电路建模43-61
• 4.1 风速风向传感器工作原理43-46
• 4.1.1 热损失型风速计44-45
• 4.1.2 热温差式检测45-46
• 4.2 理论分析46-50
• 4.2.1 一维传感器分析48-49
• 4.2.2 二维传感器分析49-50
• 4.3 温度场等效电路建模结果分析50-55
• 4.4 误差分析55-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 致谢63-65
• 参考文献65-69
• 附录69-83
• 作者简介83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：861735