微机电系统动力学

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,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,微机电系统动力学,概要,(Outline),微机电系统的根本概况,MEMS动力学问题研究,微转子动力学问题研究,假设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,2,1 微机电系统的根本概况,1.1 MEMS根本概念,1.2 MEMS根本模型,1.3 MEMS历史回忆,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,3,1.1 MEMS根本概念,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,4,1.2 MEMS根本模型,振动、冲击、噪声国家重点实验室,5,1.3 MEMS历史回忆,1947年，科学家率先创造半导体晶体管,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工艺开发出多晶硅外表微加工技术，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时代的降临,振动、冲击、噪声国家重点实验室,6,1.4 MEMS,加工技术,外表微加工技术,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、电铸与注塑,特种精细机械加工技术,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,7,1.5 MEMS,研究成果,First batch-fabricated MEMS1964,First polysilicon surface micromachined MEMS device (,1984,),First electrostatic micromotor1988,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,8,1.6 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,9,1.7 MEMS,技术小结,MEMS是人类科技开展过程一次重大技术整合,微电子、精细加工、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、低本钱的微传感器、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,10,概要,(Outline),振动、冲击、噪声国家重点实验室,微机电系统的根本概况,MEMS动力学问题研究,微转子动力学问题研究,假设干动力学问题的研究,MEMS动力学研究展望,11,2 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,12,2.1,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、光学元件与执行器的密切结合。,How small is small?,振动、冲击、噪声国家重点实验室,13,2.1,微尺度效应,(,),尺度范围,:,微型机械,MEMS,NEMS,振动、冲击、噪声国家重点实验室,14,2.1,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,15,2.1,微尺度效应,(,),自然的灵感,:,旋转运动,惯性矩的大小,I = r2dm,微马达只需假设干分之一秒可达最高转速；而大马达却需数秒才能到达全速,振动、冲击、噪声国家重点实验室,16,2.1,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,17,2.1,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,18,2.2,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,19,2.3 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：外表接触、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,20,2.4,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,21,2.4,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,22,概要,(Outline),振动、冲击、噪声国家重点实验室,微机电系统的根本概况,MEMS动力学问题研究,微转子动力学问题研究,假设干动力学问题的研究,MEMS动力学研究展望,23,3,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,24,3.1,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,25,3.1,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,26,3.1,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75125s，推力，功率 5W，效率50%，质量为几克，大小为1cm2。,微推进器,27,3.1,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，功率,10, the continuum approach breaks down completely and the regime can be described as being a free molecular flow,振动、冲击、噪声国家重点实验室,81,A.,阶梯滑行轴承润滑特性分析,(,),阶梯型轴衬示意图,静电微电机横截面示意图,阶梯滑行轴承模型,振动、冲击、噪声国家重点实验室,82,连续流区,Reynolds,方程,高阶滑流速度边界条件,滑流速度,修正的,Reynolds,方程,A.,阶梯滑行轴承润滑特性分析,(,),修正的,Reynolds,方程,振动、冲击、噪声国家重点实验室,83,Non-dimensional flow rate versus the inverse Knudsen number,A.,阶梯滑行轴承润滑特性分析,(,),Non-dimensional flow rate versus the inverse Knudsen number under the effects of gas rarefaction and roughness,流动速率轮廓,振动、冲击、噪声国家重点实验室,84,A.,阶梯滑行轴承润滑特性分析,(,),压力分析,Bearing number=50;,X_step=0.4L,Bearing number=10,承载能力,Relation between load carrying capacity with spacing,振动、冲击、噪声国家重点实验室,85,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),滑流边界条件分析,一阶滑移速度边界条件,气体分子运动示意简图,偏心量,努森数,0.0110.053 (0.0110),振动、冲击、噪声国家重点实验室,86,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),数学模型,微转子,-,气体轴承模型,修正,Reynolds,方程,振动、冲击、噪声国家重点实验室,87,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),数值计算分析,压力分布,承载能力,数值计算网格划分,振动、冲击、噪声国家重点实验室,88,振动、冲击、噪声国家重点实验室,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),压力分布,无滑流情况,有滑流情况,89,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),偏心量对承载能力的影响,振动、冲击、噪声国家重点实验室,90,B.,径向气体轴承润滑特性分析,(,),转速对承载能力的影响,振动、冲击、噪声国家重点实验室,91,振动、冲击、噪声国家重点实验室,4.6,微旋转机械可靠性评估与分析,典型失效形式,根本失效形式,可靠性,分析方法,92,4.7,电磁薄膜微电机振动测试实验分析,(,),2mm,与,6mm,电机,6mm,电机,2mm,电机,振动、冲击、噪声国家重点实验室,测试系统,93,振动、冲击、噪声国家重点实验室,4.7,电磁薄膜微电机振动测试实验分析,(,),测试系统简图,模拟信号控制器,频谱分析仪,PC,与数据采集系统,CCD,激光位移传感器,94,振动、冲击、噪声国家重点实验室,4.7,电磁薄膜微电机振动测试实验分析,(,),6mm,电机测试,光带式测量,光束式测量,2mm,电机测试,95,振动、冲击、噪声国家重点实验室,4.7,电磁薄膜微电机振动测试实验分析,(,),6mm,电机振动特性,63.8 Hz,27.5 Hz,8.8 Hz,96,振动、冲击、噪声国家重点实验室,4.7,电磁薄膜微电机振动测试实验分析,(,),2mm,电机振动特性,35.0 Hz,28.8 Hz,6.3 Hz,51.3 Hz,摩擦影响越来越严重,!,97,概要,(Outline),振动、冲击、噪声国家重点实验室,微机电系统的根本概况,MEMS动力学问题研究,微转子动力学问题研究,假设干动力学问题的研究,MEMS动力学研究展望,98,5 MEMS,动力学研究展望,(,),建立MEMS的根底理论体系,研究微型执行器动力学特性,研制新MEMS动力驱动系统,提出新设计和加工制造工艺,实现对MEMS的智能化控制,开发MEMS的实验检测系统,拓宽MEMS的实际应用领域,培养MEMS相关的专业人才,MEMS,研究展望,振动、冲击、噪声国家重点实验室,99,5 MEMS,动力学研究展望,(,),微转子动力学研究展望,微旋转动力机械的研究,多种驱动方式微旋转机械的研制；设计与加工制造方法的创新；微轴承的动力,润滑特性研究；微转子系统可靠性分析；实验检测系统的开发等,微流体理论和技术的研究,微型流动系统的研究和开发；微流体动力学方程建立和流动规律的研究；微尺,度流动的外表效应、输运特性和动力特性的研究；微流体动力学方程的建立等,微观摩擦学的研究,微摩擦和润滑机理的深入研究；各种可控有序分子膜的研制与性能研究；微尺,度滑动磨损研究等,微构造粘附问题的研究,粘附现象的物理机制；研究不同材料、构造形式的粘附现象；寻找预防粘附的,微构造设计参数和加工工艺等,振动、冲击、噪声国家重点实验室,100,5 MEMS,动力学研究展望,(,),MEMS,应用研究展望,振动、冲击、噪声国家重点实验室,101,21世纪的挑战小机械、大时机,振动、冲击、噪声国家重点实验室,102,致 谢,工程资助：国家出色青年基金 (Nr.10325209 ),振动、冲击、噪声国家重点实验室,103,谢谢！,振动、冲击、噪声国家重点实验室,104,谢谢欣赏！,105,2021/11/5,谢谢,