MEMS器件建模与仿真优化设计研究

【摘要】MEMS技术是一个前沿的技术研究领域，广泛涉及到多个学科：机械学、电子学、热力学、物理学、生物学、化学等多个学科，各个学科之间产生交叉耦合作用。目前，MEMS器件中的机械动作应用最多的是静电力驱动。同时，梳齿式结构成为MEMS器件的典型结构，在MEMS器件中有着广泛的应用：微机械谐振器、叉指式微机械加速度计、微镜、微泵等。因此，具有静电驱动原理和梳齿式结构的MEMS器件成为专家学者研究的重点。本文的主要研究内容由以下几个方面构成：1、详细介绍了微观领域的尺度效应，具体分析了尺度效应对材料特性和静电特性的影响。详细介绍了微机电器件的力学基础知识，总结了几中常见的弹性梁结构，并进一步分析了各种弹性梁的力学特性，同时阐述了微机电系统中不可忽略的挤压薄膜阻尼的计算方法，为进一步的研究提供了理论基础。2、详细介绍了MEMS器件的建模与仿真分析中使用的宏建模方法，常用的宏建模方法有节点分析法、等效电路法、黑箱分析模型法、降阶模拟法以及耦合电路分析方法等。并具体针对MEMS的典型器件微机械谐振器进行了等效电路的分析和耦合电路分析，得到了一致的结果，很好的说明了等效电路法和耦合电路分析方法对MEMS器件仿真建模的有效性和准确性。针对结构复杂的MEMS器件的建模与仿真分析问题，提出了基于Krylov子空间法的Arnoldi算法来实现对原系统的微分方程进行降阶处理，详细介绍了Krylov子空间法的基本原理和Arnoldi算法实现的基本流程，并具体针对两端固支梁结构进行了相应的降阶处理，减少了计算工作量。以上分析证明了宏建模方法能够用于MEMS器件的建模与仿真分析。3、首先详细阐述了微机械加速度计的工作原理、检测原理以及驱动原理。其次针对叉指式微机械加速度计进行了结构受力分析，同时分析了微机械加速度计的静电刚度系数、分辨率、稳定性以及最大量程等性能指标。最后针对MEMS的多学科性，将叉指式微机械加速度计分为两个学科和三个学科分别进行学科子系统的建模与仿真优化，并运用多目标遗传优化算法对各个学科子系统模型进行参数优化设计，很好的改善了叉指式微机械加速度计的性能。
【作者】冯雨周；
【导师】陈国金；龚友平；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】微机械加速度计；建模与仿真；宏建模；多学科；优化设计；遗传算法；

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