微机械系统技术及发展动力学

1、振动、冲击、噪声国家重点实验室MEMS动力学问题研究动力学问题研究概要概要 (Outline)微机电系统的基本概况微机电系统的基本概况MEMS动力学问题研究动力学问题研究微转子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若干动力学问题的研究MEMS动力学研究展望动力学研究展望振动、冲击、噪声国家重点实验室1 微机电系统的基本概况微机电系统的基本概况1.1 MEMS基本概念基本概念1.2 MEMS基本模型基本模型1.3 MEMS历史回顾历史回顾1.4 MEMS加工技术加工技术1.5 MEMS研究成果研究成果1.6 MEMS应用现状应用现状1.7 MEMS技术小结技术小结振动、冲击、噪声

2、国家重点实验室1.1 MEMS基本概念基本概念 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)振动、冲击、噪声国家重点实验室1.2 MEMS基本模型基本模型振动、冲击、噪声国家重点实验室1.3 MEMS历史回顾历史回顾 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 ro

3、om 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时代的来临振动、冲击、噪声国家重点实验室1.4 MEMS加工技术加工技术 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

4、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1.5 MEMS研究成果研究成果 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历史上几个重要的第一次振动、冲击、噪声国家重点实验室1.6 MEMS应用现状应用现状军事国防军事国防生物医学生物医学环境保护环境保护工厂维修工厂维修信息通信信息通信

5、交通运输交通运输航空航天航空航天 振动、冲击、噪声国家重点实验室1.7 MEMS技术小结技术小结MEMS是人类科技发展过程一次重大技术整合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、微热行器大批量、低成本

6、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概要概要 (Outline)振动、冲击、噪声国家重点实验室微机电系统的基本概况微机电系统的基本概况MEMS动力学问题研究动力学问题研究微转子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若干动力学问题的研究MEMS动力学研究展望动力学研究展望2 MEMS动力学问题研究动力学问题研究2.1微尺度效应微尺度效应2.2多能域耦合效应多能域耦合效应2.3MEMS非线性动力学问题非线性动力学问题2.4动力

7、学建模和模拟分析方法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2.1 微尺度效应微尺度效应()MEMS 象征着超小型计算机芯片与微型传感器、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。探头、光学元件及执行器的密切结合。 振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1 微尺度效应微尺度效应() 微型机械微型机械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1mNEMS100nm-0.1nm振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1 微尺度效应微尺度效应() S/V ratio shrinks with the scale friction inertia heat diss

8、ipation heat storage electrostatic force magnetic force energy coupling energy production Important decrease in manufacturing relative accuracy Shrinking world, changing behavior振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1 微尺度效应微尺度效应() 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振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1 微尺度效应微尺度效应() 各种驱动器的尺度效应

9、各种驱动器的尺度效应振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1 微尺度效应微尺度效应()2222000022111222rerrl WLVF V Vldl 静电力 电磁力22()22A BFILBl1113131311333444lld EbhVd EVd EVFlLl 压电力0fresidenceresidencem LHVmPower densitylVVtt 热动力0000/22aareactionbbERTERTaafuelfueltlA fuelOeA fuelOe 振动、冲击、噪声国家重点实验室2.2 多能域耦合效应多能域耦合效应 流体、固体等耦合微泵 微阀 微型水压动力驱动器 电、热、

10、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2.3 MEMS非线性动力学问题非线性动力学问题 宏观非线性：宏观非线性：材料特性、几何特性等材料特性、几何特性等 微观非线性：微观非线性：微摩擦、微动磨损、粘附等微摩擦、微动磨损、粘附等 固有非线性：固有非线性：初始应力、大位移、热传输效应初始应力、大位移、热传输效应等等 机械非线性：机械非线性：表面接触、大变形、非线性阻尼表面接触、大变形、非线性阻尼等等 多能域耦合非线性：多能域耦合非线性：电、磁、热、光、化学等电、磁

11、、热、光、化学等振动、冲击、噪声国家重点实验室2.4 动力学建模和模拟分析方法动力学建模和模拟分析方法()设计设计要求要求系统级系统级缩减级缩减级物理级物理级制作级制作级仿真仿真检验检验振动、冲击、噪声国家重点实验室2.4 动力学建模和模拟分析方法动力学建模和模拟分析方法() 动力学特性表述方法动力学特性表述方法 简化的微分方程简化的微分方程 非线性时变偏微分方程非线性时变偏微分方程 动力学模型动力学模型 微机械双稳态系统模型微机械双稳态系统模型 非线性电容器模型非线性电容器模型 集中参数模型集中参数模型 弹簧阻尼质量系统模型弹簧阻尼质量系统模型 平板电容器模型平板电容器模型 三维分段线性动力

12、学模型三维分段线性动力学模型 动力学分析方法动力学分析方法 宏模型建模分析方法宏模型建模分析方法 MelnikovMelnikov方法方法 等效电路方法等效电路方法 摄动法摄动法 非线性解耦分析算法非线性解耦分析算法 有限单元分析方法等有限单元分析方法等振动、冲击、噪声国家重点实验室概要概要 (Outline)振动、冲击、噪声国家重点实验室微机电系统的基本概况微机电系统的基本概况MEMS动力学问题研究动力学问题研究微转子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若干动力学问题的研究MEMS动力学研究展望动力学研究展望3 微转子动力学问题研究微转子动力学问题研究3.1 微旋转机械的研

13、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 微微 电电 机机 (Micromotor)振动、冲击、噪声国家重点实验室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 动力动力MEMS (Power MEMS)MEMS涡轮增压器 振动、冲击、噪声国家重点实验室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

14、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直径直径: 1 mm: 1 mm高度高度:

15、1.5 mm: 1.5 mm重量重量: 12.5 mg: 12.5 mg最大转速最大转速: 18000 rpm: 18000 rpm最大力矩最大力矩: 1.5 : 1.5 NmNm直径直径1mm1mm微马达微马达上海交大研制的微马达上海交大研制的微马达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高速运动及机电耦合非线性动力学问题 转子系

16、统振动测量与控制、稳定性分析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微尺度下的动态特性测试及可靠性技术问题 振动、冲击、噪声国家重点实验室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转子动力系统特性实验检测技术振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 微转子动

17、力学建模与分析振动、冲击、噪声国家重点实验室 动力学模型动力学模型可变电容三维场模型可变电容三维场模型 平行板模型平行板模型 独立模块模型独立模块模型 等效电路模型等等效电路模型等 分析方法分析方法场电路分析方法场电路分析方法 数值优化算法数值优化算法 自动有限元建模方法自动有限元建模方法 运动模拟方法运动模拟方法 重叠单元方法重叠单元方法 场计算方法等场计算方法等 模拟软件与系统模拟软件与系统VHDL-AMS系统建模系统建模 mTORQUE与与MICROTOR仿真仿真 Spice与与Saber静电仿真静电仿真 ANSYS多能域仿真等多能域仿真等B. 微转子系统摩擦磨损问题研究()振动、冲击、

18、噪声国家重点实验室 摩擦系数的测量摩擦系数的测量微电机测量方法材料摩擦系数IC加工电机现场动摩擦法、启动电压法PolySilicon /Si3N40.18 0.38摆动电机动态模型实验数据分析法PolySilicon/PolySilicon0.380.55LIGA电机悬臂梁/光纤偏转平台Ni/Alumina0.60 1.20线性步进电机摩擦测量仪PolySilicon /SiO20.501.10各种微电机摩擦系数各种微电机摩擦系数B. 微转子系统摩擦磨损问题研究()振动、冲击、噪声国家重点实验室 微转子系统存在的磨损问题微转子系统存在的磨损问题 采用光滑环状转子、支撑结构 采用滚动接触代替滑动

19、接触 采用LB膜、自组装单分子膜(SAMS)等超薄膜 材料改性可提高材料的耐磨性能 采用Z-15和Z-DOL等多种PFPE润滑剂 适当湿度，加固磨损部位，清除磨损碎片 减磨方法与防护措施减磨方法与防护措施振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 微轴承动力润滑问题研究() 气体轴承模型气体轴承模型超短静压径向轴承模型超短静压径向轴承模型弹性动压径向轴承模型弹性动压径向轴承模型流场模型流场模型: 动压与静压动压与静压推力轴承模型推力轴承模型径向轴承模型径向轴承模型转子转子-轴承模型轴承模型C. 微轴承动力润滑问题研究()振动、冲击、噪声国家重点实验室 超短静压气体径向轴承的尺度律超短静压气体径向轴承的

20、尺度律 C. 微轴承动力润滑问题研究()振动、冲击、噪声国家重点实验室 气体轴承特性测试气体轴承特性测试承载能力与转速关系承载能力与转速关系气体轴承过临界响应气体轴承过临界响应3.4 微旋转机械的实验检测()AFM振动、冲击、噪声国家重点实验室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Micro turbine概要概要 (Outline)振动、冲击、噪声国家重点实验室微机电系统的基本概况微机电系统的基本概况MEMS动力学问题研究动力学问题研究微转子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若干动力学问

21、题的研究MEMS动力学研究展望动力学研究展望4 若干动力学问题的研究若干动力学问题的研究4.1 MEMS非线性动力学特性研究4.2 微转子系统摩擦磨损特性研究4.3 微转子-固定轴承接触问题研究4.4 微转子系统碰摩动力特性分析4.5 微转子系统动力润滑特性研究4.6 微旋转机械可靠性评估与研究4.7 电磁微电机振动测试实验分析振动、冲击、噪声国家重点实验室4.1 MEMS非线性动力学特性研究非线性动力学特性研究振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 微尺度下微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析压膜阻尼特性分析()1()effnf K2212effa ap d加速释放或减

22、小阻尼, 加工释放孔 A. 微尺度下微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析压膜阻尼特性分析()2.5rm4.0rm振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 静电驱动静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析耦合非线性动力特性分析() 振动、冲击、噪声国家重点实验室VEFdyxk/2k/2cFixed platem)(tFkyycymE 220)()(2ydtVAEFyyFykyLWcsfdr323316动力学模型示意图动力学模型示意图B. 静电驱动静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析耦合非线性动力特性分析() 222002221123(1)22()rrVV A Azzddzdd振动、冲击、噪声国家重点实验室

23、B. 静电驱动静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析耦合非线性动力特性分析()0( , )( )( )( )( )( )sqx x xxfxq te xp tft22642224369189*20161644(69)33T Vaaa aaa非线性马休非线性马休(Mathieu)(Mathieu)方程方程 幅频关系幅频关系 01;1;10 ,20 ,100dumVVVV振动、冲击、噪声国家重点实验室xxxxdk)(),(3221B. 静电驱动静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析耦合非线性动力特性分析() 交流电压幅值交流电压幅值 压膜阻尼比压膜阻尼比 振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 压电驱

24、动压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制微悬臂梁振动控制(),(),(),(),(),(222222txfACEIxtxMttxwttxwxtxwxP振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 压电驱动压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制微悬臂梁振动控制()1( , )( )( )Niiiw x t x q t2ijjijjijjjjm qn qk qQR V21212222222221020( )( )( )( )01010( )( )( )( )( )( )( )( )( , )(ppbbbbjppjb biibbbbbbbbLx Aijijij AxLxCijijij AxLxd xE Id xE Id

25、xd xij A AdxdxdxdxxLj Ajj Am x x dx x x dxn x x dx x x dxkdxdxQf x t dtRC 21)()jx x222012222( , )( , )( , )( , )()()( , )bbbbw x tw x tw x tE IC AC V x t xx xxf x ttxxt)()(3212*1*eebybyhygu 线性化反馈控制线性化反馈控制振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 压电驱动压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制微悬臂梁振动控制()振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 压电驱动压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制微悬臂梁振动控制()

26、Number of mode12345678910Beam without PZT12.69779.853126.93224.49441.63442.13735.29788.661106.31332.7Beam with PZT12.97780.168127.13223.41439.09450.74732.09785.571106.31356.5Relative error2.21%3.94%0.16%-0.48%-0.58%1.95%-0.44%-0.39%01.79%振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 压电驱动压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制微悬臂梁振动控制() 无阻尼无阻尼有阻尼有阻尼不

27、同位置不同位置不同电压不同电压高增益观测器高增益观测器5021 bb221 bb振动、冲击、噪声国家重点实验室4.2 微转子系统摩擦磨损特性研究 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 摩擦磨损的尺度效应1/201/21(/ )( /)1(/)msm neeWmsWLLL LLL1/21/201/21/21(/)1(/ )1(/ )1(/)mmdWsppmmdsWLLLLLLLL*(2)/2,()1(/ ),()1(/ )mdDdKempiricalLLKKfractalLL弹性弹性塑性塑性振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 微转子枢轴摩擦磨损特性分析 ()Rhrdr

28、pTFRhrdrpTF0hrdrpTF00bRR平端枢轴模型平端枢轴模型锥型枢轴模型锥型枢轴模型球型枢轴模型球型枢轴模型模型模型简图简图线磨损率线磨损率体积磨损率体积磨损率摩擦力矩摩擦力矩00tantan12 1tantanTMFR1/23/25322cot3VKPNR1/21/2(2 tan )()hKPNR12TMFR23V KPNRhKPNR001 cos1 coshbR 330000323coscos23coscos3VbR00.5sinTMFR振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 微转子枢轴摩擦磨损特性分析 ()锥型枢轴锥型枢轴球型枢轴球型枢轴枢轴类型枢轴类型线磨损率线磨损率体积磨损率

29、体积磨损率摩擦力矩摩擦力矩C. 微转子轴衬摩擦磨损特性分析 ()SEM photo of a micro-motor with 12/8 (stator/rotor) polesRef.: S. F. Bart, M. Mehregany, L. S. Tavrow, J. H. Lang, S. D. Senturia, Electric micromotor dynamics, IEEE Transactions on electron devices 39(3) 1992 566-575.bpRWRbG0RGTbHBearingStatorRotorHemispherical bushi

30、ngSubstrateGround plane 研究背景研究背景振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 微转子轴衬摩擦磨损特性分析 () 滑行磨损模型滑行磨损模型WRGround planeWear trackRotor bushingFxyzhpF00bbRbRBushingGround planevzyF 有限元模型有限元模型02sin3wbRMR001 cos1 cosbhbR 330000323coscos23coscos3bVbR振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室C. 微转子轴衬摩擦磨损特性分析 ()线磨损率线磨损率体积磨损率体积磨损率摩擦力矩摩擦力矩不同半径的

31、半球型轴衬不同半径的半球型轴衬接触压力接触压力D. 微转子的材料选择 (),FunctionGeometricMaterialpfrequirements Fparameters Gproperties M ( ,)pf F G M 性能指标性能指标(Performance index) 123( )( )()pf Ff Gf M功能要求功能要求几何参数几何参数材料参数材料参数主要功能：主要功能：载荷电压、旋转速度、驱动力、存储能量、电阻率、机械质量因载荷电压、旋转速度、驱动力、存储能量、电阻率、机械质量因 子、断裂、摩擦磨损、粘附、振动冲击等子、断裂、摩擦磨损、粘附、振动冲击等 材料特性：材

32、料特性：弹性模量、密度、断裂强度、残余应力、电阻率、固有阻尼等弹性模量、密度、断裂强度、残余应力、电阻率、固有阻尼等 振动、冲击、噪声国家重点实验室D. 微转子的材料选择 ()1fM2M 材料性能关系材料性能关系 弹性模量与断裂强度弹性模量与断裂强度 弹性模量与密度弹性模量与密度振动、冲击、噪声国家重点实验室4.3 微转子-固定轴承接触问题研究()12122212122111222212122122221211(1)(1)22211(1)(1)(2)()2 ()() ()xaPE ERRLEEPE EzRRLEEazazza az 21222121221221212211221112(1)(1

33、)2 ( )(1)(1)()( )()E E aRREEp x R REEE ERRp xa21(1)(1)izixiizE 数学模型数学模型121z2z1w2wx xy yz z1O2OO1R2Rbody1body1body2body21S2SS 接触压力接触压力 接触应力接触应力 接触应变接触应变Mathematic model振动、冲击、噪声国家重点实验室Vol. (V)1st pair2nd pair3rd pairMin MaxMin MaxMin Max1000.050.05560.11390.12660.13460.14962000.10.11110.22780.25320.26

34、910.29913000.150.16670.34180.37990.40370.44874000.20.22220.45560.50640.53820.5982 接触应力接触应力 接触应变接触应变4.3 微转子-固定轴承接触问题研究()振动、冲击、噪声国家重点实验室4.3 微转子-固定轴承接触问题研究() 微尺度效应的影响微尺度效应的影响 接触压力接触压力 接触应力接触应力 接触应变接触应变CxCzCz2PLCaptions:L -Scale factor; C-Constant; 有限元模型有限元模型 Rotor-to-bearing-hub FE model振动、冲击、噪声国家重点实验室

35、4.3 微转子-固定轴承接触问题研究() 接触压力、应力与应变接触压力、应力与应变 0.3 0 (a)(a)(b)(c)(b)(c)Notes:(a)-Von Mises stress(b)-Von Mises strain(c)-contact pressureApplied voltage U=100V振动、冲击、噪声国家重点实验室4.3 微转子-固定轴承接触问题研究() 摩擦系数的影响摩擦系数的影响 最大最大 Von Mises应力应力 最大接触压力最大接触压力 振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 动力学模型动力学模型 碰摩力分析碰摩力分析1cossi

36、n()()1sincosnnXrnYFFXkuuuFFY cossin0()sincos0nXYFFuFF rkkcmMicro -rotor微转子模型微转子模型碰摩力模型碰摩力模型振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 摩擦机理分析摩擦机理分析Dry friction mechanismAdhesionDeformationElasticPlasticRough surfaceMultiple asperitiesSingle asperityNumericalFractalStatistical振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分

37、析()2 /21(2)/2012(2)/21(/ )12/1/1(/ )DDDsdnaDWWssLLldLLLLlaLL 摩擦模型摩擦模型()()0()0nrnnnFkuuFFFuF库仑摩擦模型库仑摩擦模型微尺度分形摩擦模型微尺度分形摩擦模型()()0()0nrnnFkuuFf FFuFnadsdp振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 运动学方程运动学方程 碰摩状态碰摩状态22/22022/22012(1)() cos(1)12(1)() sinnnxxxxy y xyyyyxy x xy 无碰摩状态无碰摩状态222 cos(1)2 sinxxxyyy 振动、

38、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 无碰摩状态无碰摩状态 稳定性与分岔行为稳定性与分岔行为43224(24)410 Routh-Hurwitz判据判据 240432432100b b b b b43221222214222212220142444 (4)8(44)(4)(4)AAAAAAAbbbbffbffff4222212220(44)(4)(4)0AAAAbffff特征方程特征方程 碰摩状态碰摩状态分岔条件分岔条件 特征方程特征方程 振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 稳定性与分岔行为分析稳定性与分岔行为分析715.5 10

39、/krN m3em6/cN s m3em2em0.26f 阻尼阻尼-频率比频率比 摩擦系数摩擦系数-频率比频率比 定转子间隙定转子间隙-频率比频率比 振动、冲击、噪声国家重点实验室注注: (1) 稳定区；稳定区；(2) 不稳定区；不稳定区；(3) 不稳定区，但解是稳定的不稳定区，但解是稳定的振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 非线性动力学行为非线性动力学行为 转速的影响转速的影响 1.83.03.553.750.025 0.5 /1sWLL/0.9WL L1.9D 10.01 20.1 0.5 0.025 0.5 4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 偏

40、心量的影响偏心量的影响微尺度分形摩擦模型微尺度分形摩擦模型库仑摩擦模型库仑摩擦模型0.90 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 阻尼系数的影响阻尼系数的影响/1sWLL/0.9WL L1.1D /1sWLL/0.9WL L1.9D /1000sWLL/0.6WL L1.9D /1000sWLL/0.9WL L1.9D 4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 分形尺度的影响分形尺度的影响/0sWLL/1sWLL(a) D=1.2; (b) D=1.6振动、冲击、噪声国家重点实验室4.4 微转子系统碰摩动力学特性分析() 尺度长度

41、的影响尺度长度的影响/0sWLL1.1D /0sWLL1.6D /1sWLL1.6D /0.1sWLL1.9D 振动、冲击、噪声国家重点实验室4.5 微转子系统动力润滑特性研究微转子系统动力润滑特性研究振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 阶梯滑行轴承润滑特性分析阶梯滑行轴承润滑特性分析()For Kn0.001, the continuum hypothesis is appropriate and the flow can be analyzed using the Navier-Stokes equations For 0.001Kn10, the continuum approach b

42、reaks down completely and the regime can be described as being a free molecular flow Continuum flowFree molecule flowSlip flowTransition flowKnudsen number41031011010210振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 阶梯滑行轴承润滑特性分析阶梯滑行轴承润滑特性分析()阶梯型轴衬示意图阶梯型轴衬示意图RotorBushingShieldShaft(bearing)Stator0hbL0hstephstepxrrUxyz1x1y2x2y静电微

43、电机横截面示意图静电微电机横截面示意图 阶梯滑行轴承模型阶梯滑行轴承模型振动、冲击、噪声国家重点实验室)(12)(6)()(33hhUtxyphyxphx连续流区连续流区Reynolds方程方程 高阶滑流速度边界条件高阶滑流速度边界条件 )()()(33! 3322!222wyuwyuwyuwallgasuu)()66()66(22232223PHKHKPHKHKPHXYPPHnnYXPPHnnXwyuwyuslipu)()(222!222滑流速度滑流速度 修正的修正的Reynolds方程方程 A. 阶梯滑行轴承润滑特性分析阶梯滑行轴承润滑特性分析() 修正的修正的Reynolds方程方程振动

44、、冲击、噪声国家重点实验室Non-dimensional flow rate versus the inverse Knudsen number A. 阶梯滑行轴承润滑特性分析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 流动速率轮廓流动速率轮廓振动、冲击、噪声国家重点实验室A. 阶梯滑行轴承润滑特性分析阶梯滑行轴承润滑特性分析() 压力分析压力分析Bearing number=50; X_s

45、tep=0.4L Bearing number=10 承载能力承载能力Relation between load carrying capacity with spacing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径向气体轴承润滑特性分析() 滑流边界条件分析滑流边界条件分析2222 2134slipuuuzz2222 2134slipvvvzz222 212 2314 223312 223zpuzhzhRxhpvzhzhy 一阶滑移速度边界条件一阶滑移速度边界条件 气体分子运动示意简图气体分子运动示意简图 偏心量偏心量 0.50.9努森数努森数 0.0110.053 (0

46、.0110)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径向气体轴承润滑特性分析() 数学模型数学模型3232446nnphK hphK hppRphxxyyx 微转子微转子-气体轴承模型气体轴承模型 修正修正Reynolds方程方程振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 径向气体轴承润滑特性分析径向气体轴承润滑特性分析() 数值计算分析数值计算分析1,1,1,11,1,2,22223221,1,1,1,1,11,1,281311241222ijiji ji jijijni ji jijijijiji ji jijijnPPPPPPKHHPPHHHPPPPPPPPKHH ,1,12

47、21,1,240i ji jijijnPPPPKHH /200/200( , ) 1 cos( , ) 1 sinL RnL RtWPd dWPd d 压力分布压力分布 承载能力承载能力数值计算网格划分数值计算网格划分 振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 径向气体轴承润滑特性分析径向气体轴承润滑特性分析()0.9 压力分布压力分布 无滑流情况无滑流情况0.9 61 10rpm 51 10rpm 0.6 0.3 61 10rpm 61 10rpm 0.9 有滑流情况有滑流情况B. 径向气体轴承润滑特性分析径向气体轴承润滑特性分析() 偏心量对承载能力的影响偏心量对承

48、载能力的影响振动、冲击、噪声国家重点实验室B. 径向气体轴承润滑特性分析径向气体轴承润滑特性分析() 转速对承载能力的影响转速对承载能力的影响振动、冲击、噪声国家重点实验室振动、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微旋转机械可靠性评估与分析DesignformicromotorreliabilityFailure modesFailure mechanisms Contamination Friction and Wear Stiction and Fracture electronic interference Contact Surface forces Adhesi

49、ve and abrasive Intrinsic and applied stressStudying methodsSolving methods(1) experimental methodsObservation, test, measurement, etc. (2) Numerical methods Model: parallel-plate, MPPM model, etc. Analysis: FEM, FVM, BEM, etc. Simulation: VHDL-AMS, ANSYS, etc.(1) Materials (silicon dioxide etc.)(2) Reasonable designs (LIGA