MEMS器件建模与仿真优化设计研究

发布时间：2017-10-14 07:24

  本文关键词：MEMS器件建模与仿真优化设计研究

  更多相关文章： 微机械加速度计 建模与仿真 宏建模 多学科 优化设计 遗传算法

【摘要】：MEMS技术是一个前沿的技术研究领域，广泛涉及到多个学科：机械学、电子学、热力学、物理学、生物学、化学等多个学科，各个学科之间产生交叉耦合作用。目前，MEMS器件中的机械动作应用最多的是静电力驱动。同时，梳齿式结构成为MEMS器件的典型结构，在MEMS器件中有着广泛的应用：微机械谐振器、叉指式微机械加速度计、微镜、微泵等。因此，具有静电驱动原理和梳齿式结构的MEMS器件成为专家学者研究的重点。 本文的主要研究内容由以下几个方面构成： 1、详细介绍了微观领域的尺度效应，具体分析了尺度效应对材料特性和静电特性的影响。详细介绍了微机电器件的力学基础知识，总结了几中常见的弹性梁结构，并进一步分析了各种弹性梁的力学特性，同时阐述了微机电系统中不可忽略的挤压薄膜阻尼的计算方法，，为进一步的研究提供了理论基础。 2、详细介绍了MEMS器件的建模与仿真分析中使用的宏建模方法，常用的宏建模方法有节点分析法、等效电路法、黑箱分析模型法、降阶模拟法以及耦合电路分析方法等。并具体针对MEMS的典型器件微机械谐振器进行了等效电路的分析和耦合电路分析，得到了一致的结果，很好的说明了等效电路法和耦合电路分析方法对MEMS器件仿真建模的有效性和准确性。针对结构复杂的MEMS器件的建模与仿真分析问题，提出了基于Krylov子空间法的Arnoldi算法来实现对原系统的微分方程进行降阶处理，详细介绍了Krylov子空间法的基本原理和Arnoldi算法实现的基本流程，并具体针对两端固支梁结构进行了相应的降阶处理，减少了计算工作量。以上分析证明了宏建模方法能够用于MEMS器件的建模与仿真分析。 3、首先详细阐述了微机械加速度计的工作原理、检测原理以及驱动原理。其次针对叉指式微机械加速度计进行了结构受力分析，同时分析了微机械加速度计的静电刚度系数、分辨率、稳定性以及最大量程等性能指标。最后针对MEMS的多学科性，将叉指式微机械加速度计分为两个学科和三个学科分别进行学科子系统的建模与仿真优化，并运用多目标遗传优化算法对各个学科子系统模型进行参数优化设计，很好的改善了叉指式微机械加速度计的性能。
【关键词】：微机械加速度计 建模与仿真 宏建模 多学科 优化设计 遗传算法
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 微机电系统的定义11-12
• 1.2 微机电系统的发展历程12-14
• 1.3 微机电系统的研究内容14-16
• 1.3.1 基础理论研究14
• 1.3.2 支撑技术研究14-15
• 1.3.3 应用技术研究15-16
• 1.4 微机电系统的设计技术16-17
• 1.4.1 微机电系统设计方法的发展16
• 1.4.2 微机电系统的建模与仿真分析方法16-17
• 1.4.3 微机电系统的优化设计方法17
• 1.5 论文的研究内容17-19
• 第2章 微机电系统理论基础19-30
• 2.1 尺度效应19-21
• 2.1.1 尺度效应对材料性能的影响20
• 2.1.2 尺度效应对静电特性的影响20-21
• 2.2 力学基础21-28
• 2.2.1 微梁21-26
• 2.2.2 挤压薄膜阻尼26-28
• 2.3 本章小结28-30
• 第3章 MEMS 宏模型建模与仿真分析30-46
• 3.1 常见的宏建模方法30-35
• 3.1.1 节点分析法30-31
• 3.1.2 等效电路法31-34
• 3.1.3 黑箱分析模型法34-35
• 3.1.4 其他分析方法35
• 3.2 梳齿式微机械谐振器的建模与仿真分析35-40
• 3.2.1 梳齿式微机械谐振器的工作原理35-36
• 3.2.2 梳齿式微机械谐振器的动力学模型36
• 3.2.3 等效电路法应用分析36-38
• 3.2.4 耦合物理电路应用分析38-40
• 3.3 Krylov 子空间法40-42
• 3.3.1 Krylov 子空间法的基本原理40-41
• 3.3.2 基于 Krylov 子空间的 Arnoldi 算法41-42
• 3.4 多场耦合器件降阶建模实例42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 优化算法46-57
• 4.1 遗传算法46-49
• 4.1.1 遗传算法的基本原理47-48
• 4.1.2 遗传算法的基本步骤48
• 4.1.3 遗传算法的关键问题48-49
• 4.2 遗传多目标优化49-51
• 4.2.1 多目标优化的基本概念50
• 4.2.2 Pareto 解的概念50-51
• 4.2.3 多目标优化的遗传算法51
• 4.3 优化算法工具51-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 微机械加速度计建模与仿真优化分析57-83
• 5.1 微机械加速度计的工作原理57-59
• 5.1.1 微机械加速度计的动力学模型57-58
• 5.1.2 微机械加速度计的数学模型58-59
• 5.2 电容式微机械加速度计的检测原理59-63
• 5.2.1 变间距型电容式加速度计的基本原理60-61
• 5.2.2 变面积型电容式加速度计的基本原理61-63
• 5.3 静电驱动的基本定理63-66
• 5.3.1 平行板电容器驱动模型63-64
• 5.3.2 叉指式电容加速度计的驱动模型64-66
• 5.4 叉指式电容加速度计的结构设计66-73
• 5.4.1 折叠梁的设计67-70
• 5.4.2 结构粘附问题70-71
• 5.4.3 静电负刚度71
• 5.4.4 最大量程71-72
• 5.4.5 热分析72-73
• 5.5 叉指式电容加速度计参数优化分析73-80
• 5.5.1 多学科优化设计概述73-74
• 5.5.2 叉指式微机械加速度计两个子系统优化模型74-76
• 5.5.3 叉指式微机械加速度计三个子系统优化模型76-80
• 5.6 基于多目标遗传算法的叉指式微机械加速度计的优化设计80-82
• 5.7 本章小结82-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 总结83
• 6.2 展望83-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-89
• 附录89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孙长敬,褚家如;基于MEMS技术的微流体混合器及相关技术[J];微纳电子技术;2004年05期

2 梁春广,徐永青,杨拥军;MEMS光开关[J];半导体学报;2001年12期

3 李童杰;董景新;刘云峰;;梳齿式微机械加速度计的研制[J];传感技术学报;2009年03期

4 唐祯安,王立鼎;关于微尺度理论[J];光学精密工程;2001年06期

5 季国顺,张永康;微机械系统建模与仿真技术研究[J];光学精密工程;2002年06期

6 林谢昭;微机电系统的尺度效应及其影响[J];机电产品开发与创新;2005年05期

7 葛继科;邱玉辉;吴春明;蒲国林;;遗传算法研究综述[J];计算机应用研究;2008年10期

8 孙道恒,马海阳,李文望;基于Krylov子空间法的MEMS降阶建模与仿真[J];机械工程学报;2004年05期

9 张向军,孟永钢,温诗铸;微电子机械系统中的若干固体力学问题[J];力学与实践;2003年02期

10 高钟毓,赵长德,张嵘,董景新;微机械加速度计的研究[J];清华大学学报(自然科学版);1998年11期

本文编号：1029761