微机电系统动力学课件

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孟光张文明概要(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1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1.2MEMS基本模型振动、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1.4MEMS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1.6MEMS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1.7MEMS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2.1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(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(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(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(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2.2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2.4 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(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)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3.2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3.3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

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B.微转子系统摩擦磨损问题研究(Ⅰ)振动、冲击、噪声国家重点实验室

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/PolySilicon0.38~0.55LIGA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/SiO20.50~1.10各种微电机摩擦系数B.微转子系统摩擦磨损问题研究(Ⅱ)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

采用光滑环状转子、支撑结构采用滚动接触代替滑动接触采用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(Ⅰ)

气体轴承模型超短静压径向轴承模型弹性动压径向轴承模型流场模型:动压与静压推力轴承模型径向轴承模型转子-轴承模型C.微轴承动力润滑问题研究(Ⅱ)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

C.微轴承动力润滑问题研究(Ⅲ)振动、冲击、噪声国家重点实验室

气体轴承特性测试承载能力与转速关系气体轴承过临界响应3.4微旋转机械的实验检测(Ⅰ)

AFM测试多晶硅微电机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(Ⅱ)

微发动机测试摩擦力振动、冲击、噪声国家重点实验室3.4微旋转机械的实验检测(Ⅲ)

微涡轮机实验测试系统振动、冲击、噪声国家重点实验室Microturbine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4若干动力学问题的研究4.1MEMS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4.1MEMS非线性动力学特性研究

微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析静电驱动MEMS耦合动力特性分析压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制振动、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MEMS压膜阻尼特性分析(Ⅰ)

挤压效应

穿孔效应

滑流效应加速释放或减小阻尼,加工释放孔

无滑流效应

有滑流效应

A.微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析(Ⅱ)

刚度系数

阻尼系数

穿孔效应振动、冲击、噪声国家重点实验室B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(Ⅰ)

压膜阻尼力

动力学模型振动、冲击、噪声国家重点实验室动力学模型示意图B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(Ⅱ)

吸合效应(Pull-in)

静电刚度软化效应

固有非线性特性振动、冲击、噪声国家重点实验室B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(Ⅲ)

参数激励与外激励耦合响应非线性马休(Mathieu)方程

幅频关系

振动、冲击、噪声国家重点实验室B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(Ⅳ)

分岔与混沌特性分析

交流电压幅值

压膜阻尼比

振动、冲击、噪声国家重点实验室C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(Ⅰ)

动力学模型振动、冲击、噪声国家重点实验室C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(Ⅱ)Rayleigh-Ritz方法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MEMS微悬臂梁振动控制(Ⅲ)

模态形状振动、冲击、噪声国家重点实验室C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(Ⅳ)

模态频率Numberofmode12345678910BeamwithoutPZT12.69779.853126.93224.49441.63442.13735.29788.661106.31332.7BeamwithPZT12.97780.168127.13223.41439.09450.74732.09785.571106.31356.5Relativeerror2.21%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MEMS微悬臂梁振动控制(Ⅴ)

阶跃响应

频率响应

无阻尼有阻尼不同位置不同电压高增益观测器振动、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

摩擦磨损的尺度效应

微转子枢轴摩擦磨损特性分析

微转子轴衬摩擦磨损特性分析

微转子的材料选择

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

摩擦的尺度效应

磨损的尺度效应弹性塑性振动、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(Ⅰ)平端枢轴模型锥型枢轴模型球型枢轴模型模型简图线磨损率体积磨损率摩擦力矩振动、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(Ⅱ)锥型枢轴球型枢轴枢轴类型线磨损率体积磨损率摩擦力矩C.微转子轴衬摩擦磨损特性分析(Ⅰ)SEMphotoofamicro-motorwith12/8(stator/rotor)polesRef.:S.F.Bart,M.Mehregany,L.S.Tavrow,J.H.Lang,S.D.Senturia,Electricmicromotordynamics,IEEETransactionsonelectrondevices39(3)1992566-575.

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(Ⅱ)

滑行磨损模型

有限元模型振动、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(Ⅲ)线磨损率体积磨损率摩擦力矩不同半径的半球型轴衬接触压力D.微转子的材料选择(Ⅰ)

性能指标(Performanceindex)功能要求几何参数材料参数主要功能：载荷电压、旋转速度、驱动力、存储能量、电阻率、机械质量因子、断裂、摩擦磨损、粘附、振动冲击等材料特性：弹性模量、密度、断裂强度、残余应力、电阻率、固有阻尼等振动、冲击、噪声国家重点实验室D.微转子的材料选择(Ⅱ)

材料性能关系

弹性模量与断裂强度

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(Ⅰ)

数学模型

接触压力

接触应力

接触应变Mathematicmodel振动、冲击、噪声国家重点实验室Vol.(V)1stpair2ndpair3rdpairMinMaxMinMaxMinMax1000.050.05560.11390.12660.13460.14962000.10.11110.22780.25320.26910.29913000.150.16670.34180.37990.40370.44874000.20.22220.45560.50640.53820.5982

接触应力

接触应变4.3微转子-固定轴承接触问题研究(Ⅱ)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(Ⅲ)

微尺度效应的影响

接触压力

接触应力

接触应变Captions:L---Scalefactor;C---Constant;

有限元模型Rotor-to-bearing-hubFEmodel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(Ⅳ)

接触压力、应力与应变

(a)(a)(b)(c)(b)(c)Notes:(a)---VonMisesstress(b)---VonMisesstrain(c)---contactpressureAppliedvoltageU=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(Ⅴ)

摩擦系数的影响最大VonMises应力

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(Ⅰ)

动力学模型

碰摩力分析微转子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(Ⅱ)

摩擦机理分析DryfrictionmechanismAdhesionDeformationElasticPlasticRoughsurfaceMultipleasperitiesSingleasperityNumericalFractalStatistical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(Ⅲ)

摩擦模型库仑摩擦模型微尺度分形摩擦模型振动、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(Ⅳ)

运动学方程

碰摩状态

无碰摩状态振动、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(Ⅴ)

无碰摩状态

稳定性与分岔行为Routh-Hurwitz判据

特征方程

碰摩状态分岔条件

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(Ⅵ)

稳定性与分岔行为分析阻尼-频率比

摩擦系数-频率比

定转子间隙-频率比

振动、冲击、噪声国家重点实验室注:(1)稳定区；(2)不稳定区；(3)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(Ⅶ)

非线性动力学行为

转速的影响

4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(Ⅷ)

偏心量的影响微尺度分形摩擦模型库仑摩擦模型振动、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(Ⅷ)

阻尼系数的影响4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(Ⅷ)

分形尺度的影响(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(Ⅷ)

尺度长度的影响振动、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

阶梯滑行轴承润滑特性分析

径向气体轴承润滑特性分析振动、冲击、噪声国家重点实验室A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(Ⅰ)ForKn<0.001,thecontinuumhypothesisisappropriateandtheflowcanbeanalyzedusingtheNavier-StokesequationsFor0.001<Kn<0.1,rarefactioneffectsstarttoinfluencetheflowBeyondKn=0.1,thecontinuumassumptionoftheNavier-StokesequationsbeginstobreakdownForKn>10,thecontinuumapproachbreaksdowncompletelyandtheregimecanbedescribedasbeingafreemolecularflow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(Ⅱ)阶梯型轴衬示意图静电微电机横截面示意图

阶梯滑行轴承模型振动、冲击、噪声国家重点实验室连续流区Reynolds方程

高阶滑流速度边界条件滑流速度

修正的Reynolds方程

A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(Ⅲ)

修正的Reynolds方程振动、冲击、噪声国家重点实验室Non-dimensionalflowrateversustheinverseKnudsennumberA.阶梯滑行轴承润滑特性分析(Ⅳ)Non-dimensionalflowrateversustheinverseKnudsennumberundertheeffectsofgasrarefactionandroughness

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(Ⅴ)

压力分析Bearingnumber=50;X_step=0.4LBearingnumber=10

承载能力Relationbetweenloadcarryingcapacitywithspacing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(Ⅰ)

滑流边界条件分析一阶滑移速度边界条件

气体分子运动示意简图

偏心量0.5~0.9努森数0.011~0.053(0.01~10)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(Ⅱ)

数学模型

微转子-气体轴承模型

修正Reynolds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(Ⅲ)

数值计算分析

压力分布

承载能力数值计算网格划分

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(Ⅳ)

压力分布

无滑流情况

有滑流情况B.径向气体轴承润滑特性分析(Ⅴ)

偏心量对承载能力的影响振动、冲击、噪声国家重点实验室B.径向气体轴承润滑特性分析(Ⅵ)

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典型失效形式基本失效形式可靠性分析方法4.7电磁薄膜微电机振动测试实验分析(Ⅰ)2mm与6mm电机6mm电机2mm电机振动、冲击、噪声国家