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电热微执行器设计方法研究

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第一章 绪论

1.1微电子机械系统

1.2MEMS的设计

1.2.1系统级设计

1.2.2器件级设计

1.2.3工艺设计

1.3研究MEMS设计方法的意义

1.4本文主要工作

第二章 MEMS器件的分析设计方法

2.1数值分析方法

2.1.1有限差分方法

2.1.2有限单元法

2.1.3边界元法

2.1.4降阶方法

2.1.5混合方法

2.2系统级宏模型及其分析设计方法

2.2.1MEMS器件的等效电路模型

2.2.2节点分析设计方法

2.3本章小结

第三章 热—电—机械耦合的MEMS热执行器

3.1MEMS微执行器简介

3.2热驱动基本原理及分类

3.2.1热驱动基本原理

3.2.2热执行器分类

3.3热执行器的传统分析方法

3.4热执行器节点分析方法

3.5本章小结

第四章 热—电—机械耦合基本单元的节点模型

4.1锚点模型

4.2单层梁模型

4.2.1热—电耦合梁模型

4.2.2热—机械耦合梁模型

4.3双层梁(Bimorph)结构热执行器中的梁单元模型

4.3.1热—电耦合模型

4.3.2热—机械耦合模型

4.4本章小结

第五章 热—电—机械耦合模型的等效电路表示

5.1等效电路表示常微分方程的基本方法

5.1.1基本定律:KCL和KVL

5.1.2电路的节点分析法

5.1.3线性常微分方程组系数矩阵为对称矩阵的等效方法

5.1.4线性常微分方程组系数矩阵为非对称矩阵的等效方法

5.1.5非线性常微分方稗组的等效方法

5.1.6其它的等效电路表示方法

5.2单层梁单元节点模型的等效电路表示

5.2.1单层梁热—电耦合模型的等效电路

5.2.2单层梁热—机械耦台模型的等效电路

5.3双层梁结构热执行器中梁单元模型的等效电路

5.3.1热—电耦合模型的等效电路

5.3.2热—机械耦合模型的等效效电路

5.4本章小结

第六章 热—电—机械耦合节点分析模型的仿真与验证

6.1U型梁热执行器

6.1.1收敛性能分析

6.1.2静态分析

6.1.3瞬态分析

6.1.4频域分析

6.2V型梁热执行器

6.2.1静态分析

6.2.2瞬态分析

6.2.3频域分析

6.3长短梁热执行器

6.3.1静态分析

6.3.2瞬态分析

6.3.3频域分析

6.4双层梁(Bimorph)热执行器

6.4.1静态分析

6.4.2瞬态分析

6.4.3频域分析

6.4一种垂直运动热执行器

6.4.1静态分析

6.4.1瞬态分析

6.4.2频域分析

6.5本章小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

在学期间发表论文

奖励

附录

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摘要

节点分析方法是一种系统级的分析设计方法,已广泛应用于机—电耦合MEMS器件的分析设计,并取得了很好的效果,但节点分析方法本质上是一种集总化的方法,无法用于热分布之类的分布问题,所以节点分析方法到目前为止仍无法用于热执行器的仿真。另一方面,热执行器因其驱动力较大和驱动位移大,驱动电压和CMOS兼容,所以在很多领域得到了广泛的应用。因此开展热执行器的系统级仿真的研究有重要意义。 本文首先依据节点分析方法的基本思想将常用的几种热执行器分解为锚点单元和梁单元,其中梁单元依据其驱动机理的不同分为单层梁单元和双层梁单元。因为在正常工作时锚区单元的温度变化很小,所以本文将其作为理想热沉考虑。梁单元中包含热—电—机械三种物理量的相互耦合,但这三者之间的相互耦合程度是不一样的,本文根据这一特点,将其分解为热—电耦合和热—机械耦合两大部分。 对于热—电耦合单层梁,本文基于加权余量法和常数变易法,用不同的边界条件处理方法提出了三种模型;然后,用插值法预估温度分布并以傅立叶级数作估计补偿,建立了第四种模型。本文提出的模型可以仿真梁的材料参数随温度变化的特性。 对于热—机械耦合单层梁,本文在已有的梁单元的机械域节点分析方法的基础上,将梁热膨胀的行为等效为施加在梁的两端的轴向平衡力,从而建立了模型。模型中考虑了由横向偏转产生的轴向长度变化效应、大轴向应力效应以及非共轴连接或不同层连接效应;本文提出的深梁节点模型可以仿真热执行器中长宽比较小的粱的行为。 通过对双层梁热执行器的温度载荷的分解,并利用各阶温度载荷对应的等效质量,本文建立了双层梁单元的动态节点分析单元。 使用以上方法,本文构建了完整的梁单元的热—电—机械耦合节点分析模型,可用于分析仿真常用热执行器的静态特性、动态特性和频域特性等,模型不仅形式简洁,而且建模过程中考虑的热—电—机械耦合梁单元的多个非理想效应更进一步提高了仿真结果的准确性。该模型的建立使热执行器的仿真可以不再借助于数值分析方法,从而极大的提高了热执行器分析仿真的效率,扩展了节点分析方法的应用领域,并为建立其它分布参数问题的节点分析模型提供了一个较好的思路。 在节点模型的具体实现方法上,本文选择电路仿真软件Spice作为分析平台,把提出的节点分析模型都等效为对应的等效电路。通过对几种常用的热执行器的分析并使用有限元工具ANSYS的分析结果或已发表文献中的结果验证,证明了模型的准确性。

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