稀薄条件下平板间润滑气膜内速度滑移现象分析

空气静压导轨润滑气膜工作在微米级时,内部气流受稀薄效应影响,沿流动方向压力和流速的变化规律与宏观计算所得差异较大。在气膜高度方向上,由于特征尺度减小,气体分子间作用效果加剧,传统忽略垂直方向压力梯度变化的假设不再成立,气膜内部不仅呈现较明显的分层趋势,并且速度滑移现象越发显著。通过LAMMPS(大规模原子分子并行模拟器)、LBM(离散格子玻尔兹曼方法)和Fluent等方法模拟气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得出了相关结论:润滑气膜内沿气体流动方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区,沿高度方向分为近壁层、稀薄层、连续流层,速度滑移主要发生在压力驱动区的近壁层和稀薄层。气膜分层及速度滑移现象存在于压力驱动区和牛顿摩擦区;压力驱动区的气膜分层及速度滑移随气体流速的增加而增强,牛顿摩擦区的气膜分层逐渐弱化,速度滑移现象逐渐退化为近壁面边界层。     

稀薄条件下空气静压导轨膜内气体流态分析

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,沿气膜高度方向将气膜划分为近壁层、稀薄层、连续流层,提出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程。基于空气静压导轨气膜压力递减及气体流速变化规律,将气膜沿长度方向划分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过LAMMPS和FLUENT等仿真气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得出了相关结论:气膜沿长度方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区,沿高度方向分为近壁层、稀薄层、连续流层;气膜分层存在于压力驱动区和牛顿牛顿摩擦区;压力驱动区的气膜分层随气体流速的减小而变弱,牛顿摩擦区的气膜分层保持稳定。     

微转子系统径向气体轴承特性

充分考虑滑移边界条件的影响,利用数值计算方法对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)中微转子系统径向气体轴承的雷诺方程进行修正求解,得到轴承内部真实的气压分布,进而求得微气体轴承的承载能力和偏位角.通过与宏观无限短轴承模型的结果进行对比分析,发现滑移效应对气体轴承特性的影响规律.宏观无限短轴承模型和无滑移边界模型均会高估气体轴承的承载能力,特别是偏心率较高时(ε>0.6),产生的偏差更大;微转子系统在高速或超高速工况下运转,可以提高气体轴承的气压和承载能力.     

变截面微管道的制作与气体流动特性分析

为提高硅微无阀泵和空间微推进器的性能，采用微电子机械工艺在硅片上加工出不同长度，不同喉部宽度、断面形状为矩形的变截面微管道，实验测量微管道内氮气的流量特性，分析不同因素对流动特性的影响，研究发现，相同变截面微管道，扩张方向的性能好于收缩方向，不同变截面微管道，随着扩张角，等直段长度，宽度的不断增加，流动性能逐渐提高。     

平板类微小零件装配控制策略与软件架构研究

针对不同尺寸的平板类微小零件装配问题,将视觉技术引入到微装配作业中,对微装配控制策略和软件架构进行分析研究。根据微小零件结构特点、尺寸与装配精度要求,提出"Look and move+Visual servo"相结合的微装配控制模式,采用由界面层、数据层和逻辑层组成的分层软件架构,建立基于视觉的真空吸附式微装配系统平台。围绕集成化、可复用性要求,进行软件框架类继承关系的分析,采用基于动态链接库和VC++的MFC应用程序框架编程方法,集成Halcon视觉算法库,应用数据驱动模式,最终实现微装配控制软件设计。基于控制方法对由5个不同平板类微小零件组成的微组件采用三种不同装配方式,分别进行8组装配试验,并对其关键精度指标进行测量与分析,其测量结果表明,三种装配方式中姿态调整自动装配方式装配效果最佳,微组件的同轴度和平行度误差基本满足装配精度要求,微装配的适用性有明显改善。此控制方法可以有效的用于其他微装配系统,且具有良好的鲁棒性、可复用性和人机交互性。     

微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier—Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型，对等壁温、等热流及无温度梯度工况下，气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势（Cf·Re）和传热特性（努塞尔数）进行了数值研究。结果表明：气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数，增大气体流速；壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反，温度跳跃的影响更大；等热流加热与等壁温加热两种情况下，努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。     

微尺度流动模型研究

对微尺度气体流动及其适用模型进行综述,并以微通道内气体流动为例,采用基于宏观连续介质假定的无滑移、一阶滑移和修正二阶滑移模型,以及基于分子运动的DSMC方法分别进行数值研究,分析不同努森数下各流动模型的适用性.     

高速微转子枢轴磨损特性分析

微转子枢轴是MEMS(micro-electro-mechanical system)旋转机械中的主要驱动部件之一,在系统高速运转过程中会受到严重的摩擦磨损影响.文中采用统计学方法和分形方法分别分析微尺度效应对MEMS磨损的影响,建立半球形枢轴的数学模型,并分析其磨损率与摩擦力矩,探讨枢轴结构参数与操作参数对系统磨损特性的影响.仿真结果表明,尺度减小,磨损系数变小,增大载荷或增加微枢轴旋转次数均会加剧磨损程度.     

微机电系统中微摩擦特性及控制研究

针对微机电系统设计中存在的微摩擦问题，论述了开展微观摩擦研究的意义和必要性。全面总结了微摩擦基本特性研究的进展，包括微观摩擦与宏观摩擦的对比，微观摩擦与表面形貌的相关性，以及粘滑现象等。提出了控制微摩擦特性的一些主要研究方向。     

利用LS-DYNA的微尺度球面-平面接触模型力学行为有限元分析

球面-平面接触模型是研究接触问题的基础.首先,分析了LS-DYNA有限元接触算法的基础理论,然后利用LS-DYNA有限元分析软件,分析了微尺度球面-平面接触模型的力学行为.研究表明,微尺度球面与平面以不同接触深度接触时,接触应力场以球面顶部位置为中心,呈圆形分布在接触位置区域,并且随着接触深度增加,合应力明显增大.接触过程中首先在基体表层产生弹性变形,然后进入塑性变形,并随接触深度增加,塑性变形区进一步扩大.比较接触区域不同位置的接触应力,在接触区域底部、中下部接触应力最大,而在上部、中上部的接触应力要小.随着接触深度的加深,局部发生以塑性变形为主的变形,材料失效,接触区域各位置的接触应力反而变小,且大致相同.     

一种压阻式微压力传感器

微压力传感器是微机电领域最早开始研究并且实用化的微器件之一，它结构简单、用途广。基于压阻效应、惠斯顿电桥等相关知识设计了一种压阻式微压力传感器。为增大灵敏度，设计了一种折弯形的压敏电阻。基于一些相关的微加工工艺制定了制作这种微传感器的工艺流程并且制作成功了传感芯片。设计了一个处理电路去获得此传感器的输出信号，它由两级放大电路和两级巴特沃斯低通滤波电路组成。最后利用这个测试系统检测出了随压力变化而发生变化的微电压信号。     

滑流边界条件下MEMS微圆盘的气体压膜阻尼分析

在考虑滑流边界条件的基础上,分析了微缝隙间气体流动的特性,提出了一种粘度修正的分析方法。基于微缝隙气流的粘度修正模型,分析了气体对微圆盘的压膜阻尼效应,得到微圆盘表面的压强分布、压膜阻尼力和压膜阻尼系数的解析解。通过与有限元数值解进行对比,两者结果吻合非常好,误差小于0．0468%,证实了解析解的正确。指出MEMS微圆盘的气体压膜阻尼不但与结构尺寸有关,而且与固体壁面的材质、粗糙度和光洁度等有关。     

考虑范德华力的微型活齿传动系统应力分析

提出了一种微型集成活齿传动系统,介绍了其工作原理,推导了微尺度下任一活齿在不同啮合位置的静力学方程,利用范德华势函数对活齿所受的范德华力进行求解,研究了考虑范德华力时啮合活齿所受波发生器、活齿架、中心轮三者作用力的变化规律;运用Hertz理论,对活齿与波发生器、活齿架、中心轮的接触应力进行了理论推导,并研究了微结构不同几何参数对活齿所受作用力及接触应力规律的影响。     

新型MEMS摆动式微电磁驱动器研制

设计开发了一种新型MEMS摆动式微电磁驱动器，介绍了新型微驱动器的设计、制造工艺和性能。新型微驱动器采用多线圈多磁板结构，具有较大的驱动力矩，并且位置重复精度较高。用非硅的微细加工工艺制造了微驱动器的定子线圈，微摆盘的充磁采用了自制的踏板写入装置。这种微驱动器具有良好的实用性，目前已成功应用于光纤通讯开关中。     

微型运载系统构成原理的研究

概述国际上微系统研究的现状,探讨微型运载系统的基本组成及其研究内容,指出微型运载系统的研究方法和关键技术,最后阐明深入研究的实际意义。     

Finite Volume Modeling of Gas Flow in Microbearings with Rough Surface Topography

The random surface roughness effects on the performances of gas-lubricated slider microbearings are investigated using finite volume analysis. The rough surface morphologies with the atomic force microscope (AFM) data and the numerical procedures used to generate self-affine surfaces by the midpoint displacement method are proposed and compared. Three-dimensional finite volume modeling of the gas microbearing and its flow field mesh are described considering the velocity-slip boundary condition. The results indicate that surface roughness causes a deviation in the pressure distribution, load-carrying capacity, velocity profile, and local Reynolds number from conventional theory with various values depending on the degree of surface roughness used. The pressure decreases irregularly due to the fractal surface and produces a larger change. The larger the roughness exponent is, the larger the gas slip velocity at the bottom of the wall. In addition, the velocity-slip boundary condition can cause a decrease in the gas flow velocity. The surface roughness effect also leads to random variations in the local Reynolds number. This demonstrates that the random surface roughness potentially causes very complicated flow behavior in the ultra-thin-film bearing lubrication in microelectromechanical systems (MEMS) and should be adequately characterized in terms of the fractal nature of the bearing surfaces.     

界面滑移对动压气体轴承间隙流动特性的影响*

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性箔片对间隙气膜流动特性的影响。结果表明：流固界面滑移状态对转静子间隙流动及其轴承性能具有显著的影响;转子侧滑移发生在压力上升区,这使得高压区压力减小;而静子侧滑移发生在压力下降区,使得高压区压力增大;与无滑移情形相比,局部滑移时间隙气膜压力峰值变化增幅达12%。在研究的参数范围内,随着偏心率减小和间隙高度增大,间隙界面滑移状态逐渐由转子侧滑移占主导向静子侧滑移占主导转变;耦合弹性箔片时,滑移区域增大1~4倍,滑移速度增大2~8倍,间隙气膜压力呈现双峰值分布。     

一种新型电容微加速度计的设计与仿真

提出一种带有杠杆机构的电容检测微型加速度计。通过外来加速度使质量块经杠杆将力放大施加到弹性梁上产生位移、改变检测电容间距得到与加速度成比例的电压信号,从而测出加速度大小。研究表明:这种加速度计的灵敏度可明显提高。同时采用有限元方法进行了仿真模拟,结果显示系统测量范围可达100 g、工作模态固有频率为209036 Hz。     

CORBA技术在分布式微系统CAD设计中的运用

MEMSCAD(CADusedinMicro-Electro-MechanicalSystem)的发展还处在一个初级阶段,是否能站在一个高起点上主要取决于对该领域相似问题的认识程度和对新技术的掌握程度。通过吸取传统CAD软件系统设计的经验,针对其中出现的几点重要性能:语言无关性、平台无关性、模块的独立性、网络运用的稳定性,提出了构建于CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)规范之上的分布式MEMSCAD的实现方案。