一种压电式面内MEMS驱动器的拓扑优化设计研究

发布时间：2017-08-19 20:10

  本文关键词：一种压电式面内MEMS驱动器的拓扑优化设计研究

  更多相关文章： 压电 MEMS微驱动器 拓扑优化设计 多目标优化

【摘要】：拓扑优化方法是结构优化领域中的前沿课题之一,通过拓扑优化改进的结构不仅可以节省材料、减轻重量,而且其性能可以得到大幅度的改善,带来直接的经济效益,并且通过拓扑优化设计可以缩短产品的开发周期,所以近几年来成为了国内外的研究热点。目前对于微驱动器的设计通常采用常规的微机电系统设计方法,往往依赖于经验和直觉设计,缺乏创新而有效的结构设计理论和方法指导。本文对压电式面内MEMS驱动器的压电驱动机制和原理进行了分析,利用有限元软件ANSYS对驱动器进行了压电耦合模拟仿真,并通过尺寸优化获得了各关键尺寸参数与微驱动器输出性能之间的关系,得到了最优尺寸参数。在压电式面内MEMS驱动器原始结构的基础上进行了拓扑优化研究,建立了基于SIMP材料插值方法的连续体结构拓扑优化数学模型,以微驱动器输出端水平位移响应最大作为单目标函数建立拓扑优化理论模型进行优化设计,获得了不同体积分数约束下的拓扑结构,当体积分数上限约束为0.3时可以获得最大的输出位移,并且此结果几何机构边界连续,便于制造。以整体刚度最大作为目标函数,在一定体积分数约束下建立了拓扑优化理论模型并进行优化设计,获得了固定体积分数约束下微驱动器整体刚度最大的拓扑结构,为之后的多目标拓扑优化奠定基础。同时考虑微驱动器多性能指标要求下的拓扑优化,分别以微驱动器输出端y向位移响应与结构的整体柔度响应为组合目标,以微驱动器输出端y向位移响应与输出力响应为组合目标建立了相应的综合多目标结构拓扑优化理论模型,通过修改权值系数获取不同性能偏重的拓扑优化结构。考虑对微驱动器的水平输出特性提升的要求,进行输出端y向位移与z向位移的多目标拓扑优化,经拓扑优化后的结果输出端z向位移被有效的限制,其水平输出特性得到了显著提升。对经拓扑后的结果进行了工艺流程设计,对光刻、PZT湿法刻蚀、KOH深硅刻蚀等关键工艺进行了详细介绍。
【关键词】：压电 MEMS微驱动器 拓扑优化设计 多目标优化
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 MEMS驱动器简介8-10
• 1.2 拓扑优化的研究现状10-16
• 1.3 本课题的研究意义以及主要研究内容16-18
• 1.3.1 本课题的研究意义16-17
• 1.3.2 本课题的研究内容17-18
• 第二章 压电式MEMS驱动器的仿真分析与尺寸优化18-27
• 2.1 压电式面内MEMS驱动器的工作原理18-19
• 2.2 压电式面内MEMS驱动器的压电分析19-22
• 2.3 压电式面内MEMS驱动器的静力分析22-23
• 2.4 压电式面内MEMS驱动器的尺寸优化23-26
• 2.4.1 微驱动器尺寸优化数学模型23-24
• 2.4.2 多变量敏感度分析24-25
• 2.4.3 优化及结果分析25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 压电式面内MEMS驱动器结构的单目标拓扑优化27-37
• 3.1 压电式面内MEMS驱动器原结构的拓扑优化设计27-31
• 3.2 改变设计域的压电式面内MEMS驱动器的拓扑优化设计31-36
• 3.2.1 输出y向位移最大化的拓扑优化设计32-35
• 3.2.2 整体刚度最大化的拓扑优化设计35-36
• 3.3 本章小结36-37
• 第四章 压电式面内MEMS驱动器的多目标拓扑优化37-44
• 4.1 输出y向位移与整体结构柔度组合的多目标拓扑优化设计37-40
• 4.2 输出y向位移与输出力组合的多目标拓扑优化设计40-41
• 4.3 考虑输出y向位移和z向位移的多目标拓扑优化设计41-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第五章 关键制作工艺研究44-50
• 5.1 压电式面内MEMS驱动器工艺流程设计44-45
• 5.2 压电式面内MEMS驱动器制作工艺45-49
• 5.2.1 光刻工艺研究45-46
• 5.2.2 PZT湿法刻蚀技术研究46-47
• 5.2.3 KOH深硅刻蚀研究47-49
• 5.3 本章小结49-50
• 第六章 总结与展望50-52
• 6.1 总结50-51
• 6.2 展望51-52
• 参考文献52-56
• 在学期间的研究成果56-57
• 致谢57

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本文编号：702712