本文關(guān)鍵詞：流體場等效電路建模

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【摘要】：隨著MEMS設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,有限元分析越來越不能滿足CMOS-MEMS的整體設(shè)計,系統(tǒng)級仿真和分析對器件的設(shè)計和優(yōu)化必不可少。系統(tǒng)級仿真的重要方法之一就是建立等效電路。本論文針對工作在流體場內(nèi)的器件的物理特性,研究新的建立等效電路的方法,創(chuàng)新性地提出壓膜阻尼效應(yīng)和風(fēng)速傳感器溫度場的等效電路模型。不同于傳統(tǒng)機電類比建立等效電路的方法,本文提出了一種新的適用于分布式參數(shù)的耦合電感單元矩陣結(jié)構(gòu)。以變壓器原理為理論基礎(chǔ),提出包括初級電感回路和次級電感回路單元矩陣在內(nèi)的新的電路結(jié)構(gòu)。利用結(jié)構(gòu)中次級回路電感與初次回路電感兩端電壓比值分布表征流體場中分布式物理量的分布,將流體域問題轉(zhuǎn)化為電域問題。壓膜阻尼效應(yīng)是影響器件動態(tài)特性的重要效應(yīng)。結(jié)構(gòu)垂直方向的運動使得膜下空氣層產(chǎn)生壓強分布。將分布量表征為矩陣形式,直觀地轉(zhuǎn)化為電壓分布。對于方形薄膜和雙端固支梁,其空氣層內(nèi)的壓強分布有不同的表征形式和計算方法。建立這兩種結(jié)構(gòu)的運動阻尼等效電路模型,將流體場行為以等效電路模型形式進行表征,可以無縫連接到外部電路實現(xiàn)系統(tǒng)級仿真。區(qū)別于傳統(tǒng)的有限元軟件分析或采用等效阻尼系數(shù)分析方法,本文利用流體場的等效電路模型進行阻尼分析,其精度接近于有限元分析,效率接近于等效阻尼系數(shù)分析。風(fēng)速風(fēng)向傳感器以相較于無風(fēng)狀態(tài)時的平衡溫度對稱分布,風(fēng)會引起熱平衡后表面溫度分布不再對稱的現(xiàn)象為原理。本文分析了恒溫差工作控制模式下的一維傳感器表面溫度分布,進而推導(dǎo)出二維傳感器表面溫度場。文章采用耦合電感單元矩陣等效電路建模方法建立針對傳感器溫度場的等效電路,將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比,數(shù)值吻合,進而驗證了等效電路建模方法的可行性。論文中對MEMS器件流體場建立等效電路仿真均是在SPICE軟件下實現(xiàn),利用該軟件可以網(wǎng)表輸入的特點,結(jié)合MATLAB編程,實現(xiàn)了電路參數(shù)更改和仿真結(jié)果提取的自動化,簡化了操作流程。本論文為流體場等效電路建模提供了新的技術(shù)路徑和系統(tǒng)級模擬難題解決的新方法。
【關(guān)鍵詞】：耦合電感 壓膜阻尼 風(fēng)速計 溫度場 等效電路
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH-39;O35
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 流體場概念9-13
• 1.1.1 流體的定義9
• 1.1.2 流體流動分類9-13
• 1.1.3 流體場研究意義13
• 1.2 MEMS設(shè)計方法與MEMS CAD13-15
• 1.2.1 MEMS設(shè)計流程13-14
• 1.2.2 MEMS CAD14-15
• 1.3 MEMS的建模分類15-17
• 1.3.1 系統(tǒng)級設(shè)計16
• 1.3.2 器件級設(shè)計16
• 1.3.3 物理級設(shè)計16-17
• 1.3.4 工藝級設(shè)計17
• 1.4 等效電路建模17-18
• 1.5 本論文的主要工作18-19
• 第二章 MEMS器件等效電路建模方法及其拓展19-27
• 2.1 F-V類比19-20
• 2.2 F-I類比20-21
• 2.3 耦合電感單元矩陣類比21-24
• 2.3.1 分布式物理量矩陣形式21-22
• 2.3.2 耦合電感電路提出22-23
• 2.3.3 電路原理分析23-24
• 2.4 等效電路實現(xiàn)系統(tǒng)級建模與分析24-25
• 2.5 本章小結(jié)25-27
• 第三章 壓膜阻尼等效電路建模27-43
• 3.1 微機械結(jié)構(gòu)的空氣阻尼27-30
• 3.1.1 滑膜阻尼27-28
• 3.1.2 壓膜阻尼28
• 3.1.3 壓膜阻尼效應(yīng)研究28-29
• 3.1.4 對阻尼效應(yīng)等效電路建模意義29-30
• 3.2 方形薄膜等效電路建模30-35
• 3.2.1 方形薄膜壓膜阻尼運動模型30-31
• 3.2.2 匝比與耦合系數(shù)的確定31
• 3.2.3 等效電路建模的SPICE實現(xiàn)31-33
• 3.2.4 示例分析33-35
• 3.3 雙端固支梁等效電路建模35-42
• 3.3.1 大長寬比平板結(jié)構(gòu)35-39
• 3.3.2 雙端固支梁的理論分析39-41
• 3.3.3 雙端固支梁等效電路建模41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 熱式風(fēng)速傳感器溫度場的等效電路建模43-61
• 4.1 風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作原理43-46
• 4.1.1 熱損失型風(fēng)速計44-45
• 4.1.2 熱溫差式檢測45-46
• 4.2 理論分析46-50
• 4.2.1 一維傳感器分析48-49
• 4.2.2 二維傳感器分析49-50
• 4.3 溫度場等效電路建模結(jié)果分析50-55
• 4.4 誤差分析55-59
• 4.5 本章小結(jié)59-61
• 第五章 總結(jié)與展望61-63
• 致謝63-65
• 參考文獻65-69
• 附錄69-83
• 作者簡介83

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：861735