MEMS若干动力学问题研究1课件

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、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1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动力学研究展望振动、冲击、噪声国家重点实验室概要(Outline)微机电系统的基本概况振动、冲击、噪声21微机电系统的基本概况1.1MEMS基本概念1.2MEMS基本模型1.3MEMS历史回顾1.4MEMS加工技术1.5MEMS研究成果1.6MEMS应用现状1.7 MEMS技术小结振动、冲击、噪声国家重点实验室1微机电系统的基本概况1.1MEMS基本概念振动、冲击、31.1MEMS基本概念

微机电系统

MEMS:Micro-Electro-MechanicalSystems(USA)微系统Mcirosystem (Europe)微型机械

Micromachine (Japan)微科学

Microscience (Someresearchers)振动、冲击、噪声国家重点实验室1.1MEMS基本概念微机电系统振动、冲击、噪声国家重点41.2MEMS基本模型振动、冲击、噪声国家重点实验室1.2MEMS基本模型振动、冲击、噪声国家重点实验室51.3MEMS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‘Thereisplentyofroomatthebottom’1964年，Nathenson研制出第一个批量生产的MEMS设备resonantgatetransistor1984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1.3MEMS历史回顾1947年，科学家率先发明半导体晶体61.4MEMS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；冷压焊键合振动、冲击、噪声国家重点实验室1.4MEMS加工技术表面微加工技术振动、冲击、噪声国家71.5MEMS研究成果

Firstbatch-fabricatedMEMS（1964）

FirstpolysiliconsurfacemicromachinedMEMSdevice(1984)Firstelectrostaticmicromotor（1988）MEMS历史上几个重要的第一次振动、冲击、噪声国家重点实验室1.5MEMS研究成果Firstbatch-fabri81.6MEMS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

……振动、冲击、噪声国家重点实验室1.6MEMS应用现状军事国防振动、冲击、噪声国家重点实验91.7MEMS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，而是微系统振动、冲击、噪声国家重点实验室1.7MEMS技术小结MEMS是人类科技发展过程一次重大技10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112MEMS动力学问题研究2.1 微尺度效应2.2 多能域耦合效应2.3 MEMS非线性动力学问题2.4 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2MEMS动力学问题研究2.1 微尺度效应振动、冲击、噪声122.1微尺度效应(Ⅰ)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。

Howsmallissmall?振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅰ)MEMS象征着超小型计算机芯片与微132.1微尺度效应(Ⅱ)

尺度范围:微型机械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1μmNEMS100nm-0.1nm振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅱ)尺度范围:振动、冲击、噪声国家重点142.1微尺度效应(Ⅲ)S/Vratioshrinkswiththescalefriction>inertiaheatdissipation>heatstorageelectrostaticforce>magneticforceenergycoupling>energyproduction

Importantdecreaseinmanufacturingrelativeaccuracy

Shrinkingworld,changingbehavior

微尺度律振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅲ)S/Vratioshrinks152.1微尺度效应(Ⅳ)

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振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅳ)自然的灵感:旋转运动惯性矩的大小162.1微尺度效应(Ⅴ)

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(Ⅴ)各种驱动器的尺度效应振动、冲击、噪172.1微尺度效应(Ⅵ)

驱动力的微尺度效应

静电力

电磁力

压电力

热动力振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅵ)驱动力的微尺度效应静电力电磁力182.2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振动、冲击、噪声国家重点实验室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192.3MEMS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、化学等振动、冲击、噪声国家重点实验室2.3MEMS非线性动力学问题宏观非线性：材料特性、几何202.4 动力学建模和模拟分析方法(Ⅰ)设计要求系统级缩减级物理级制作级仿真检验

建模过程振动、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(Ⅰ)设计要求系统级缩减级物212.4 动力学建模和模拟分析方法(Ⅱ)

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 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(Ⅱ)动力学建模与分析方法22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233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振动、冲击、噪声国家重点实验室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243.1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)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253.1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(PowerMEMS)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微型水压动力驱动器微型转子飞机微263.1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（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75～125s，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273.1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50～75s，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283.1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:1mm高度:1.5mm重量:12.5mg最大转速:18000rpm最大力矩:1.5Nm直径1mm微马达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293.2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

振动、冲击、噪声国家重点实验室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303.3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振31A.微转子动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32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、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33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动力学研究展望振动、冲击、噪声国家重点实验室概要(Outline)微机电系统的基本概况振动、冲击、噪声341微机电系统的基本概况1.1MEMS基本概念1.2MEMS基本模型1.3MEMS历史回顾1.4MEMS加工技术1.5MEMS研究成果1.6MEMS应用现状1.7 MEMS技术小结振动、冲击、噪声国家重点实验室1微机电系统的基本概况1.1MEMS基本概念振动、冲击、351.1MEMS基本概念

微机电系统

MEMS:Micro-Electro-MechanicalSystems(USA)微系统Mcirosystem (Europe)微型机械

Micromachine (Japan)微科学

Microscience (Someresearchers)振动、冲击、噪声国家重点实验室1.1MEMS基本概念微机电系统振动、冲击、噪声国家重点361.2MEMS基本模型振动、冲击、噪声国家重点实验室1.2MEMS基本模型振动、冲击、噪声国家重点实验室371.3MEMS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‘Thereisplentyofroomatthebottom’1964年，Nathenson研制出第一个批量生产的MEMS设备resonantgatetransistor1984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1.3MEMS历史回顾1947年，科学家率先发明半导体晶体381.4MEMS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；冷压焊键合振动、冲击、噪声国家重点实验室1.4MEMS加工技术表面微加工技术振动、冲击、噪声国家391.5MEMS研究成果

Firstbatch-fabricatedMEMS（1964）

FirstpolysiliconsurfacemicromachinedMEMSdevice(1984)Firstelectrostaticmicromotor（1988）MEMS历史上几个重要的第一次振动、冲击、噪声国家重点实验室1.5MEMS研究成果Firstbatch-fabri401.6MEMS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

……振动、冲击、噪声国家重点实验室1.6MEMS应用现状军事国防振动、冲击、噪声国家重点实验411.7MEMS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，而是微系统振动、冲击、噪声国家重点实验室1.7MEMS技术小结MEMS是人类科技发展过程一次重大技42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432MEMS动力学问题研究2.1 微尺度效应2.2 多能域耦合效应2.3 MEMS非线性动力学问题2.4 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2MEMS动力学问题研究2.1 微尺度效应振动、冲击、噪声442.1微尺度效应(Ⅰ)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。

Howsmallissmall?振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅰ)MEMS象征着超小型计算机芯片与微452.1微尺度效应(Ⅱ)

尺度范围:微型机械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1μmNEMS100nm-0.1nm振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅱ)尺度范围:振动、冲击、噪声国家重点462.1微尺度效应(Ⅲ)S/Vratioshrinkswiththescalefriction>inertiaheatdissipation>heatstorageelectrostaticforce>magneticforceenergycoupling>energyproduction

Importantdecreaseinmanufacturingrelativeaccuracy

Shrinkingworld,changingbehavior

微尺度律振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅲ)S/Vratioshrinks472.1微尺度效应(Ⅳ)

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振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅳ)自然的灵感:旋转运动惯性矩的大小482.1微尺度效应(Ⅴ)

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(Ⅴ)各种驱动器的尺度效应振动、冲击、噪492.1微尺度效应(Ⅵ)

驱动力的微尺度效应

静电力

电磁力

压电力

热动力振动、冲击、噪声国家重点实验室2.1微尺度效应(Ⅵ)驱动力的微尺度效应静电力电磁力502.2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振动、冲击、噪声国家重点实验室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512.3MEMS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、化学等振动、冲击、噪声国家重点实验室2.3MEMS非线性动力学问题宏观非线性：材料特性、几何522.4 动力学建模和模拟分析方法(Ⅰ)设计要求系统级缩减级物理级制作级仿真检验

建模过程振动、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(Ⅰ)设计要求系统级缩减级物532.4 动力学建模和模拟分析方法(Ⅱ)

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 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(Ⅱ)动力学建模与分析方法54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553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振动、冲击、噪声国家重点实验室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563.1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)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573.1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(PowerMEMS)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微型水压动力驱动器微型转子飞机微583.1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