微機(jī)電系統(tǒng)器件設(shè)計(jì)綜合與優(yōu)化方法研究.pdf

1、微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是集微型機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器、傳感器與信號處理、電路、通信、電源、接口等于一體的微米級器件系統(tǒng)。MEMS在航空、航天、汽車、航海、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛潛在的巨大應(yīng)用前景。按照預(yù)定的性能求解設(shè)計(jì)參數(shù)稱之為綜合,滿足給定條件并使某些性能最優(yōu)稱之為優(yōu)化。目前國內(nèi)外對MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究較少,主要集中為遺傳算法、退火算法等自然模擬算法。這些自然模擬算法分析次數(shù)多,迭代周期長,效率不是很高,有必要根據(jù)MEM

2、S器件的設(shè)計(jì)綜合和優(yōu)化問題的不同與分析工具研究開發(fā)更為合理有效的設(shè)計(jì)綜合和優(yōu)化方法。本文致力于研究MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,主要包括:(1)MEMS器件設(shè)計(jì)綜合方法研究;(2)MEMS器件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。本文研究成果不僅具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值,而且具有重要工程應(yīng)用意義。
　　 本文的主要工作如下:
　　 (1)MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合新方法研究。目前大多把MEMG器件設(shè)計(jì)綜合問題轉(zhuǎn)化成基于最小二乘的優(yōu)化問題,并采用

3、自然模擬算法如退火算法、遺傳算法等對MEMG器件進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合計(jì)算,但其計(jì)算效率和精度不是很高。本人認(rèn)為MEMS器件設(shè)計(jì)綜合問題實(shí)際上就是要求設(shè)計(jì)的MEMS器件性能參數(shù)等于預(yù)定數(shù)值,針對MEMS器件設(shè)計(jì)綜合問題的這種特點(diǎn)本文提出了采用高效的按預(yù)定性能直接求解設(shè)計(jì)方程法對MEMS器件進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合。同時(shí)針對MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合問題構(gòu)建了適用于MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合程序流程與框架,并采用MATLAB編制了適用于解決設(shè)計(jì)綜合問題的通用可行的綜合

4、設(shè)計(jì)程序,為MEMS器件的設(shè)計(jì)綜合提供了很好的設(shè)計(jì)綜合手段和軟件工具。
　　 (2)將按預(yù)定性能直接求解設(shè)計(jì)方程法應(yīng)用于典型的MEMS器件—蛇形彈簧和微諧振器的設(shè)計(jì)綜合。分析了蛇形彈簧和微諧振器的設(shè)計(jì)要素,構(gòu)建了蛇形彈簧和微諧振器的設(shè)計(jì)綜合數(shù)學(xué)模型,基于SUGAR采用按預(yù)定性能直接求解設(shè)計(jì)方程法進(jìn)行了設(shè)計(jì)綜合,計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了本文求解方法的優(yōu)越性。并采用ANSYS進(jìn)行了建模、分析仿真與驗(yàn)證。
　　 (3)MEMS

5、器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法研究。為了提高當(dāng)今大多采用的遺傳算法等自然模擬算法的優(yōu)化效率和優(yōu)化精度,針對MEMS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題特點(diǎn)提出了采用高效的基于敏度計(jì)算的導(dǎo)重法對MEMS器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)針對MEMS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題采用MATLAB軟件開發(fā)編制了通用可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。為MEMS器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的優(yōu)化軟件工具。
　　 (4)將導(dǎo)重法應(yīng)用于SEMS器件—靜電激勵(lì)器和微加速度的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。分析了靜電激勵(lì)器和梳齒式微加