發(fā)布時間：2017-08-19 20:10

  本文關鍵詞：一種壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的拓撲優(yōu)化設計研究

  更多相關文章： 壓電 MEMS微驅(qū)動器 拓撲優(yōu)化設計 多目標優(yōu)化

【摘要】：拓撲優(yōu)化方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領域中的前沿課題之一,通過拓撲優(yōu)化改進的結(jié)構(gòu)不僅可以節(jié)省材料、減輕重量,而且其性能可以得到大幅度的改善,帶來直接的經(jīng)濟效益,并且通過拓撲優(yōu)化設計可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,所以近幾年來成為了國內(nèi)外的研究熱點。目前對于微驅(qū)動器的設計通常采用常規(guī)的微機電系統(tǒng)設計方法,往往依賴于經(jīng)驗和直覺設計,缺乏創(chuàng)新而有效的結(jié)構(gòu)設計理論和方法指導。本文對壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的壓電驅(qū)動機制和原理進行了分析,利用有限元軟件ANSYS對驅(qū)動器進行了壓電耦合模擬仿真,并通過尺寸優(yōu)化獲得了各關鍵尺寸參數(shù)與微驅(qū)動器輸出性能之間的關系,得到了最優(yōu)尺寸參數(shù)。在壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器原始結(jié)構(gòu)的基礎上進行了拓撲優(yōu)化研究,建立了基于SIMP材料插值方法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化數(shù)學模型,以微驅(qū)動器輸出端水平位移響應最大作為單目標函數(shù)建立拓撲優(yōu)化理論模型進行優(yōu)化設計,獲得了不同體積分數(shù)約束下的拓撲結(jié)構(gòu),當體積分數(shù)上限約束為0.3時可以獲得最大的輸出位移,并且此結(jié)果幾何機構(gòu)邊界連續(xù),便于制造。以整體剛度最大作為目標函數(shù),在一定體積分數(shù)約束下建立了拓撲優(yōu)化理論模型并進行優(yōu)化設計,獲得了固定體積分數(shù)約束下微驅(qū)動器整體剛度最大的拓撲結(jié)構(gòu),為之后的多目標拓撲優(yōu)化奠定基礎。同時考慮微驅(qū)動器多性能指標要求下的拓撲優(yōu)化,分別以微驅(qū)動器輸出端y向位移響應與結(jié)構(gòu)的整體柔度響應為組合目標,以微驅(qū)動器輸出端y向位移響應與輸出力響應為組合目標建立了相應的綜合多目標結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化理論模型,通過修改權(quán)值系數(shù)獲取不同性能偏重的拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)。考慮對微驅(qū)動器的水平輸出特性提升的要求,進行輸出端y向位移與z向位移的多目標拓撲優(yōu)化,經(jīng)拓撲優(yōu)化后的結(jié)果輸出端z向位移被有效的限制,其水平輸出特性得到了顯著提升。對經(jīng)拓撲后的結(jié)果進行了工藝流程設計,對光刻、PZT濕法刻蝕、KOH深硅刻蝕等關鍵工藝進行了詳細介紹。
【關鍵詞】：壓電 MEMS微驅(qū)動器 拓撲優(yōu)化設計 多目標優(yōu)化
【學位授予單位】：北方工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-18
• 1.1 MEMS驅(qū)動器簡介8-10
• 1.2 拓撲優(yōu)化的研究現(xiàn)狀10-16
• 1.3 本課題的研究意義以及主要研究內(nèi)容16-18
• 1.3.1 本課題的研究意義16-17
• 1.3.2 本課題的研究內(nèi)容17-18
• 第二章 壓電式MEMS驅(qū)動器的仿真分析與尺寸優(yōu)化18-27
• 2.1 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的工作原理18-19
• 2.2 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的壓電分析19-22
• 2.3 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的靜力分析22-23
• 2.4 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的尺寸優(yōu)化23-26
• 2.4.1 微驅(qū)動器尺寸優(yōu)化數(shù)學模型23-24
• 2.4.2 多變量敏感度分析24-25
• 2.4.3 優(yōu)化及結(jié)果分析25-26
• 2.5 本章小結(jié)26-27
• 第三章 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的單目標拓撲優(yōu)化27-37
• 3.1 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器原結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計27-31
• 3.2 改變設計域的壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的拓撲優(yōu)化設計31-36
• 3.2.1 輸出y向位移最大化的拓撲優(yōu)化設計32-35
• 3.2.2 整體剛度最大化的拓撲優(yōu)化設計35-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第四章 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器的多目標拓撲優(yōu)化37-44
• 4.1 輸出y向位移與整體結(jié)構(gòu)柔度組合的多目標拓撲優(yōu)化設計37-40
• 4.2 輸出y向位移與輸出力組合的多目標拓撲優(yōu)化設計40-41
• 4.3 考慮輸出y向位移和z向位移的多目標拓撲優(yōu)化設計41-43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第五章 關鍵制作工藝研究44-50
• 5.1 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器工藝流程設計44-45
• 5.2 壓電式面內(nèi)MEMS驅(qū)動器制作工藝45-49
• 5.2.1 光刻工藝研究45-46
• 5.2.2 PZT濕法刻蝕技術研究46-47
• 5.2.3 KOH深硅刻蝕研究47-49
• 5.3 本章小結(jié)49-50
• 第六章 總結(jié)與展望50-52
• 6.1 總結(jié)50-51
• 6.2 展望51-52
• 參考文獻52-56
• 在學期間的研究成果56-57
• 致謝57

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本文編號：702712