MEMS若干动力学问题研究课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,振动、冲击、噪声国家重点实验室,MEMS,若干动力学问题研究,振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海交通大学,孟 光 张文明,概要,(Outline),微机电系统的基本概况,MEMS,动力学问题研究,微转子动力学问题研究,若干动力学问题的研究,MEMS,动力学研究展望,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1,微机电系统的基本概况,1.1 MEMS,基本概念,1.2 MEMS,基本模型,1.3 MEMS,历史回顾,1.4 MEMS,加工技术,1.5 MEMS,研究成果,1.6 MEMS,应用现状,1.7 MEMS,技术小结,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.1 MEMS,基本概念,微机电系统,MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems,(USA),微系统,Mcirosystem,(Europe),微型机械,Micromachine,(Japan),微科学,Microscience,(Some researchers),振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.2 MEMS,基本模型,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.3 MEMS,历史回顾,1947,年,，科学家率先发明半导体晶体管,1959,年,，诺贝尔物理学奖获得者,Feynman,教授发表著名的,MEMS,预言演讲 ,There is plenty of room at the bottom,1964,年,，,Nathenson,研制出第一个批量生产的,MEMS,设备,resonant gate transistor,1984,年,，美国加州大学伯克利分校,Howe,和,Muller,利用,IC,工艺开发出多晶硅表面微加工技术，此技术被誉为,MEMS,加工技术的前奏,1988,年,，美国加利福尼亚大学伯克利分校研制出首台静电微电机，标志着,MEMS,时代的来临,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.4 MEMS,加工技术,表面微加工技术,薄膜生成技术；牺牲层技术,体形微加工技术,化学腐蚀；离子刻蚀,LIGA,技术和,SLIGA,技术,光刻、电铸及注塑,特种精密机械加工技术,电火花加工；激光加工；光造型加工,固相键合技术,阳极键合；,Si-Si,直接键合；玻璃封接键合；冷压焊键合,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.5 MEMS,研究成果,First batch-fabricated MEMS（,1964,）,First polysilicon surface micromachined MEMS device,(,1984,),First electrostatic micromotor（,1988,）,MEMS,历史上几个重要的第一次,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.6 MEMS,应用现状,军事国防,生物医学,环境保护,工厂维修,信息通信,交通运输,航空航天,振动、冲击、噪声国家重点实验室,1.7 MEMS,技术小结,MEMS,是人类科技发展过程一次重大技术整合,微电子、精密加工、传感器、执行器等技术,微小型化、智能化、集成化、高可靠性,MEMS,能够完成真正意义上的微小型系统集成,在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变,MEMS,极大地改善了人类生存方式与生活质量,大批量、低成本的微传感器、微热行器,MEMS,将会带动一个充满活力的产业迅速成长,不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统,振动、冲击、噪声国家重点实验室,概要,(Outline),振动、冲击、噪声国家重点实验室,微机电系统的基本概况,MEMS,动力学问题研究,微转子动力学问题研究,若干动力学问题的研究,MEMS,动力学研究展望,2 MEMS,动力学问题研究,2.1,微尺度效应,2.2,多能域耦合效应,2.3MEMS,非线性动力学问题,2.4,动力学建模和模拟分析方法,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),MEMS,象征着超小型计算机芯片与微型传感器、,探头、光学元件及执行器的密切结合。,How small is small?,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),尺度范围,:,微型机械,0.01m-0.1mm,MEMS,0.1mm-0.1m,NEMS,100nm-0.1nm,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),S/V ratio shrinks with the scale,friction inertia,heat dissipation heat storage,electrostatic force magnetic force,energy coupling energy production,Important decrease in manufacturing relative accuracy,Shrinking world, changing behavior,微尺度律,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),自然的灵感,:,旋转运动,惯性矩的大小,I = r,2,dm,微马达只需,若干分之,一秒可达最高转速；而大马达却需数秒才能达到全速,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),各种驱动器的尺度效应,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.1,微尺度效应,(,),驱动力的微尺度效应,静电力,电磁力,压电力,热动力,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.2,多能域耦合效应,流体、固体等耦合,微泵 微阀 微型水压动力驱动器,电、热、机械等耦合,热致动器 热传感器,机、电、磁等耦合,梳状谐振器 静电、电磁微电机等,电场力、空气阻力、机械变形等耦合,微压电传感器 原子力显微镜微梁探针,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.3 MEMS,非线性动力学问题,宏观非线性：,材料特性、几何特性等,微观非线性：,微摩擦、微动磨损、粘附等,固有非线性：,初始应力、大位移、热传输效应等,机械非线性：,表面接触、大变形、非线性阻尼等,多能域耦合非线性：,电、磁、热、光、化学等,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.4,动力学建模和模拟分析方法,(,),设计要求,系统级,缩减级,物理级,制作级,仿真,检验,建模过程,振动、冲击、噪声国家重点实验室,2.4,动力学建模和模拟分析方法,(,),动力学建模与分析方法,动力学特性表述方法,简化的微分方程 非线性时变偏微分方程,动力学模型,微机械双稳态系统模型 非线性电容器模型 集中参数模型,弹簧阻尼质量系统模型 平板电容器模型 三维分段线性动力学模型,动力学分析方法,宏模型建模分析方法,Melnikov,方法 等效电路方法,摄动法 非线性解耦分析算法 有限单元分析方法等,振动、冲击、噪声国家重点实验室,概要,(Outline),振动、冲击、噪声国家重点实验室,微机电系统的基本概况,MEMS,动力学问题研究,微转子动力学问题研究,若干动力学问题的研究,MEMS,动力学研究展望,3,微转子动力学问题研究,3.1,微旋转机械的研究现状,3.2,微转子系统动力学问题,3.3,微转子动力学研究现状,3.4,微旋转机械的实验检测,振动、冲击、噪声国家重点实验室,3.1,微旋转机械的研究现状,静电微电机,磁感应微电机,超声微电机,电磁微电机,步进微电机,SDA,微电机,摆式微电机,微 电 机,(Micromotor),振动、冲击、噪声国家重点实验室,3.1,微旋转机械的研究现状,微型水压动力驱动器,微型转子飞机,微型,Otto,循环发动机,微型涡轮机,微型发动机,微型火箭发动机,微型燃气涡轮发电机,动力,MEMS (Power MEMS),MEMS,涡轮增压器,振动、冲击、噪声国家重点实验室,3.1,微旋转机械的研究现状,振动、冲击、噪声国家重点实验室,美国喷气推进实验室,(JPL),展示的采用,MEMS,技术的电阻电热式微推进器样机（液体气化方式）。微推进器由薄膜加热器、微型喷口等组成。其性能目标为：比冲,75,125s,，推力,0.5mN,，功率,5W,，效率,50%,，质量为几克，大小为,1cm2,。,微推进器,3.1,微旋转机械的研究现状,振动、冲击、噪声国家重点实验室,美国喷气推进实验室,(JPL),展示的采用,MEMS,技术的电阻电热式微推进器样机,(,固体升华方式,),。其性能目标为：比冲,50,75s,，推力,0.5mN,，功率,2W/mN,，质量为几克，大小为,1cm2,。,微推进器,3.1,微旋转机械的研究现状,振动、冲击、噪声国家重点实验室,直径,: 1 mm,高度,: 1.5 mm,重量,: 12.5 mg,最大转速,: 18000 rpm,最大力矩,: 1.5,Nm,直径,1mm,微马达,上海交大研制的微马达,3.2,微转子系统动力学问题,微尺度下的转子系统动力学建模和分析方法,微尺度下转子系统动力学及非线性特性问题,微尺度下转子系统的摩擦、磨损与润滑问题,转子高速运动及机电耦合非线性动力学问题,转子系统振动测量与控制、稳定性分析问题,微尺度下的动态特性测试及可靠性技术问题,振动、冲击、噪声国家重点实验室,3.3,微转子动力学研究现状,不同驱动方式下动力学特性研究,多能域耦合非线性动力特性研究,微尺度下动力润滑特性机理研究,超高转速工作转子系统的稳定性,微尺度下摩擦磨损动力特性研究,转子动力系统特性实验检测技术,振动、冲击、噪声国家重点实验室,A.,微转子动力学建模与分析,振动、冲击、噪声国家重点实验室,动力学模型,可变电容三维场模型 平行板模型 独立模块模型,等效电路模型等,分析方法,场电路分析方法 数值优化算法 自动有限元建模方法,运动模拟方法 重叠单元方法 场计算方法等,模拟软件与系统,VHDL-AMS,系统建模,mTORQUE,与,MICROTOR,仿真,Spice,与,Saber,静电仿真,ANSYS,多能域仿真等,