MEMS器件建模與仿真優(yōu)化設計研究.pdf

1、MEMS技術是一個前沿的技術研究領域,廣泛涉及到多個學科:機械學、電子學、熱力學、物理學、生物學、化學等多個學科,各個學科之間產生交叉耦合作用。目前,MEMS器件中的機械動作應用最多的是靜電力驅動。同時,梳齒式結構成為MEMS器件的典型結構,在MEMS器件中有著廣泛的應用:微機械諧振器、叉指式微機械加速度計、微鏡、微泵等。因此,具有靜電驅動原理和梳齒式結構的MEMS器件成為專家學者研究的重點。
　　本文的主要研究內容由以下幾個方面

2、構成:
　　1、詳細介紹了微觀領域的尺度效應,具體分析了尺度效應對材料特性和靜電特性的影響。詳細介紹了微機電器件的力學基礎知識,總結了幾中常見的彈性梁結構,并進一步分析了各種彈性梁的力學特性,同時闡述了微機電系統中不可忽略的擠壓薄膜阻尼的計算方法,為進一步的研究提供了理論基礎。
　　2、詳細介紹了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

3、析方法等。并具體針對MEMS的典型器件微機械諧振器進行了等效電路的分析和耦合電路分析,得到了一致的結果,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確性。針對結構復雜的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算法來實現對原系統的微分方程進行降階處理,詳細介紹了Krylov子空間法的基本原理和Arnoldi算法實現的基本流程,并具體針對兩端固支梁結構進行了相應的降階處理

4、,減少了計算工作量。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、首先詳細闡述了微機械加速度計的工作原理、檢測原理以及驅動原理。其次針對叉指式微機械加速度計進行了結構受力分析,同時分析了微機械加速度計的靜電剛度系數、分辨率、穩(wěn)定性以及最大量程等性能指標。最后針對MEMS的多學科性,將叉指式微機械加速度計分為兩個學科和三個學科分別進行學科子系統的建模與仿真優(yōu)化,并運用多目標遺傳優(yōu)化算法對各個學科子系統模型進