微機電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的逐漸成熟，越來越多的MEMS器件或相關(guān)產(chǎn)品投入市場，為降低制作成本、縮短研制周期、提高產(chǎn)品可靠性，迫切需要引入有效的設(shè)計方法。另一方面伴隨著MEMS加工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，使得MEMS設(shè)計在一定程度上可與具體工藝相分離，從而大大地促進(jìn)了MEMS建模與仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，與以前相比MEMSCAD更具實際應(yīng)用價值。 微機電系統(tǒng)融合了力、電、流體、光、磁、熱等多個物理域，這些物理域之間的復(fù)雜耦合效應(yīng)對MEMS

2、的建模與仿真提出了巨大挑戰(zhàn)。為準(zhǔn)確預(yù)測在這些物理域共同作用下系統(tǒng)的行為特性，需要深入研究物理域之間的耦合機理，探討快速分析與模擬系統(tǒng)行為的有效方法。此外在MEMS的設(shè)計過程中，需要從整體的角度出發(fā)綜合考慮微傳感器、微致動器、電子接口電路、控制電路、工藝等多學(xué)科或子系統(tǒng)，并權(quán)衡它們對系統(tǒng)特性的影響，因而研究有效的系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化方法非常必要。本文針對靜電致動微梁和微機械振動陀螺的多域耦合問題展開深入研究，并在對多個子系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上對微機械

3、陀螺進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。 本文的主要研究內(nèi)容包括：1)應(yīng)用降階宏建模技術(shù)快速求解MEMS多能域耦合問題。論文詳細(xì)論述了面向多域耦合分析的MEMS宏建模方法，如基于節(jié)點分析法的參數(shù)化宏建模方法、基于Churn過程的非線性宏建模方法以及基于Arnoldi算法的自動宏建模方法，并討論了這些方法各自的優(yōu)缺點及應(yīng)用場合。 2)采用基于Churn過程和基于Arnoldi算法的宏建模方法求解靜電致動微梁的多能域耦合問題。當(dāng)器件工作于無

4、阻尼、非線性情況時，利用基于Churn過程的宏建模方法對其進(jìn)行靜電—結(jié)構(gòu)耦合分析；當(dāng)器件工作于有阻尼、線性條件時，采用基于Krylov子空間的Arnoldi算法對原始狀態(tài)空間模型實行降階，由降階模型實現(xiàn)微梁的靜電—結(jié)構(gòu)—阻尼等多域耦合分析，仿真結(jié)果表明宏建模方法能快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)多域耦合MEMS器件的瞬態(tài)分析。 3)將基于物理級數(shù)值模擬的集總參數(shù)宏建模技術(shù)應(yīng)用于微機械陀螺的多域耦合分析中。通過適當(dāng)?shù)姆绞綄⒔Y(jié)構(gòu)域、靜電域、空氣阻尼

5、域進(jìn)行分離，提取每一物理域的集總參數(shù)宏模型，然后在系統(tǒng)級仿真器中利用集總參數(shù)模型建立微機械陀螺的多域耦合模型，快速地實現(xiàn)了陀螺的瞬態(tài)分析。 4)由靜電場的數(shù)值模擬準(zhǔn)確地捕捉電容的邊緣效應(yīng)，準(zhǔn)確地提取靜電驅(qū)動梳齒和檢測平板中電容與位移關(guān)系；根據(jù)熱—流體控制方程類似原理，在數(shù)值模擬的-i-基礎(chǔ)上提取挖孔平板結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)和壓膜剛度與環(huán)境壓力的關(guān)系。根據(jù)以上關(guān)系分別建立靜電域和阻尼域的集總參數(shù)宏模型。 5)將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化思想

6、應(yīng)用于MEMS系統(tǒng)設(shè)計中，從系統(tǒng)的角度出發(fā)全局考察多個學(xué)科或子系統(tǒng)對微機電系統(tǒng)特性的影響。詳細(xì)地分析了與陀螺性能密切相關(guān)的加工工藝、流體阻尼、結(jié)構(gòu)特性、電子電路、誤差等，在此基礎(chǔ)上建立了陀螺的多學(xué)科優(yōu)化模型。 6)將遺傳算法的全局尋優(yōu)和并行計算特性與MEMS系統(tǒng)優(yōu)化相結(jié)合，通過對比不同優(yōu)化算法的優(yōu)化結(jié)果證實了遺傳算法的有效性。按照優(yōu)化結(jié)果制作出了陀螺原型樣件，測試結(jié)果表明將遺傳算法應(yīng)用于微機電系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中是切實可行的。