MEMS若干动力学问题研究1课件.pptx
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,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,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,概要 (Outline)微机电系统的基本概况振动、冲击、噪声,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,1 微机电系统的基本概况1.1 MEMS基本概念振动、冲击、,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),1.1 MEMS基本概念 微机电系统振动、冲击、噪声国家重点,1.2 MEMS基本模型,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 bottom1964年，Nathenson研制出第一个批量生产的MEMS设备 resonant gate transistor1984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,1.3 MEMS历史回顾1947年，科学家率先发明半导体晶体,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,1.4 MEMS加工技术 表面微加工技术振动、冲击、噪声国家,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,1.5 MEMS研究成果 First batch-fabri,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 ,1.6 MEMS应用现状军事国防振动、冲击、噪声国家重点实验,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,1.7 MEMS技术小结MEMS是人类科技发展过程一次重大技,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,概要 (Outline)振动、冲击、噪声国家重点实验室微机电,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,2 MEMS动力学问题研究2.1微尺度效应振动、冲击、噪声,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?,2.1 微尺度效应()MEMS 象征着超小型计算机芯片与微,2.1 微尺度效应(),尺度范围:微型机械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1mNEMS100nm-0.1nm,2.1 微尺度效应() 尺度范围:振动、冲击、噪声国家重点,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,2.1 微尺度效应()S/V ratio shrinks,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,2.1 微尺度效应() 自然的灵感: 旋转运动惯性矩的大小,2.1 微尺度效应(),各种驱动器的尺度效应,2.1 微尺度效应() 各种驱动器的尺度效应振动、冲击、噪,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,2.1 微尺度效应() 驱动力的微尺度效应 静电力 电磁力,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,2.2 多能域耦合效应流体、固体等耦合振动、冲击、噪声国家重,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,2.3 MEMS非线性动力学问题 宏观非线性：材料特性、几何,2.4动力学建模和模拟分析方法(),建模过程,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,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,2.4动力学建模和模拟分析方法() 动力学建模与分析方法,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,概要 (Outline)振动、冲击、噪声国家重点实验室微机电,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,3 微转子动力学问题研究3.1 微旋转机械的研究现状振动、冲,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),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,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,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,3.1 微旋转机械的研究现状,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,3.1 微旋转机械的研究现状,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5075s，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美,3.1 微旋转机械的研究现状,上海交大研制的微马达,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,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,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,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,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振,A. 微转子动力学建模与分析,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,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,
