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1、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、
2、,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
3、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
4、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,
5、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
6、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-
7、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, cha
8、nging 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
9、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
10、()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 (Outli
11、ne)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
12、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
13、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
14、,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,
