本文關(guān)鍵詞：MEMS器件建模與仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：MEMS技術(shù)是一個前沿的技術(shù)研究領(lǐng)域，廣泛涉及到多個學(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)等多個學(xué)科，各個學(xué)科之間產(chǎn)生交叉耦合作用。目前，MEMS器件中的機(jī)械動作應(yīng)用最多的是靜電力驅(qū)動。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)容由以下幾個方面構(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，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析方法等。并具體針對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MEMS器件仿真建模的有效性和準(zhǔn)確性。針對結(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，并具體針對兩端固支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的降階處理，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、檢測原理以及驅(qū)動原理。其次針對叉指式微機(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MEMS的多學(xué)科性，將叉指式微機(jī)械加速度計(jì)分為兩個學(xué)科和三個學(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)化算法對各個學(xué)科子系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，很好的改善了叉指式微機(jī)械加速度計(jì)的性能。
【關(guān)鍵詞】：微機(jī)械加速度計(jì) 建模與仿真 宏建模 多學(xué)科 優(yōu)化設(shè)計(jì) 遺傳算法
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH-39
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 微機(jī)電系統(tǒng)的定義11-12
• 1.2 微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展歷程12-14
• 1.3 微機(jī)電系統(tǒng)的研究內(nèi)容14-16
• 1.3.1 基礎(chǔ)理論研究14
• 1.3.2 支撐技術(shù)研究14-15
• 1.3.3 應(yīng)用技術(shù)研究15-16
• 1.4 微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)16-17
• 1.4.1 微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展16
• 1.4.2 微機(jī)電系統(tǒng)的建模與仿真分析方法16-17
• 1.4.3 微機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法17
• 1.5 論文的研究內(nèi)容17-19
• 第2章 微機(jī)電系統(tǒng)理論基礎(chǔ)19-30
• 2.1 尺度效應(yīng)19-21
• 2.1.1 尺度效應(yīng)對材料性能的影響20
• 2.1.2 尺度效應(yīng)對靜電特性的影響20-21
• 2.2 力學(xué)基礎(chǔ)21-28
• 2.2.1 微梁21-26
• 2.2.2 擠壓薄膜阻尼26-28
• 2.3 本章小結(jié)28-30
• 第3章 MEMS 宏模型建模與仿真分析30-46
• 3.1 常見的宏建模方法30-35
• 3.1.1 節(jié)點(diǎn)分析法30-31
• 3.1.2 等效電路法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 梳齒式微機(jī)械諧振器的建模與仿真分析35-40
• 3.2.1 梳齒式微機(jī)械諧振器的工作原理35-36
• 3.2.2 梳齒式微機(jī)械諧振器的動力學(xué)模型36
• 3.2.3 等效電路法應(yīng)用分析36-38
• 3.2.4 耦合物理電路應(yīng)用分析38-40
• 3.3 Krylov 子空間法40-42
• 3.3.1 Krylov 子空間法的基本原理40-41
• 3.3.2 基于 Krylov 子空間的 Arnoldi 算法41-42
• 3.4 多場耦合器件降階建模實(shí)例42-45
• 3.5 本章小結(jié)45-46
• 第4章 優(yōu)化算法46-57
• 4.1 遺傳算法46-49
• 4.1.1 遺傳算法的基本原理47-48
• 4.1.2 遺傳算法的基本步驟48
• 4.1.3 遺傳算法的關(guān)鍵問題48-49
• 4.2 遺傳多目標(biāo)優(yōu)化49-51
• 4.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化的基本概念50
• 4.2.2 Pareto 解的概念50-51
• 4.2.3 多目標(biāo)優(yōu)化的遺傳算法51
• 4.3 優(yōu)化算法工具51-56
• 4.4 本章小結(jié)56-57
• 第5章 微機(jī)械加速度計(jì)建模與仿真優(yōu)化分析57-83
• 5.1 微機(jī)械加速度計(jì)的工作原理57-59
• 5.1.1 微機(jī)械加速度計(jì)的動力學(xué)模型57-58
• 5.1.2 微機(jī)械加速度計(jì)的數(shù)學(xué)模型58-59
• 5.2 電容式微機(jī)械加速度計(jì)的檢測原理59-63
• 5.2.1 變間距型電容式加速度計(jì)的基本原理60-61
• 5.2.2 變面積型電容式加速度計(jì)的基本原理61-63
• 5.3 靜電驅(qū)動的基本定理63-66
• 5.3.1 平行板電容器驅(qū)動模型63-64
• 5.3.2 叉指式電容加速度計(jì)的驅(qū)動模型64-66
• 5.4 叉指式電容加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)66-73
• 5.4.1 折疊梁的設(shè)計(jì)67-70
• 5.4.2 結(jié)構(gòu)粘附問題70-71
• 5.4.3 靜電負(fù)剛度71
• 5.4.4 最大量程71-72
• 5.4.5 熱分析72-73
• 5.5 叉指式電容加速度計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析73-80
• 5.5.1 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)概述73-74
• 5.5.2 叉指式微機(jī)械加速度計(jì)兩個子系統(tǒng)優(yōu)化模型74-76
• 5.5.3 叉指式微機(jī)械加速度計(jì)三個子系統(tǒng)優(yōu)化模型76-80
• 5.6 基于多目標(biāo)遺傳算法的叉指式微機(jī)械加速度計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)80-82
• 5.7 本章小結(jié)82-83
• 第6章 總結(jié)與展望83-85
• 6.1 總結(jié)83
• 6.2 展望83-85
• 致謝85-86
• 參考文獻(xiàn)86-89
• 附錄89

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1029761