微型机电系统的建模与仿真研究

概述了开展微型机电系统 (MEMS)建模与仿真研究的意义和必要性。提出了MEMS建模与仿真技术的特点 :( 1)多物理场耦合 ;( 2 )材料特性的变化 ;( 3 )依赖快速有效的算法 ;( 4 )原子尺度仿真。分别从器件级仿真、过程仿真和系统级仿真三个层次说明了MEMS仿真的方法。最后结合MEMS建模与仿真技术的发展现状 ,指出了该领域今后的发展趋势。     

微机电系统多学科设计优化

多学科设计优化是一种针对于涵盖多个学科领域的复杂系统进行设计优化的方法,强调各子学科系统在独自设计优化的基础上的相互之间的并行协作。鉴于微机电系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)设计中存在多学科交叉耦合等问题,将多学科优化设计方法引入到MEMS的设计中,研究分析MEMS本身的多学科特性和设计现状,建立面向MEMS的多学科设计优化系统(Micro electro mechanical multidisciplinary design optimization system,MMDOS),提出四种多学科设计优化方法,对提升MEMS的设计水平和产品质量具有积极意义。     

MEMS器件的优化设计

微机电系统(MEMS)器件在军用和民用领域应用都比较广泛,其设计研究涉及到机械、电子、磁场等领域,属于多学科问题,对其进行优化设计比较困难。文中以微加速度计ADXL150的优化设计为例以SUGAR软件作为分析器提出采用导重法对微机电系统器件进行优化设计。该方法与国外采用的遗传算法和退火算法等自然模拟优化算法相比,计算效率与计算精度大大提高,采用遗传算法和退火算法需要上万次分析,计算时间达4~5 h,而该方法仅需六七次优化迭代几分钟时间即可找到最优解。     

基于MDO的MEMS多物理域耦合设计建模

微机电系（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）涉及多个物理域，多物理域的耦合加大了设计建模的难度。多学科设计优化方法（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）是专门针对复杂系统的综合设计优化方法，在处理系统间的相互耦合问题上有着技术和方法上的优势。提出将多学科设计优化方法应用于MEMS的多物理域耦合设计，并对相应的多物理域耦合建模方法作出了分析研究。     

微机电系统光学组件的系统级建模

为提高微机电系统(MEMS)中光学系统整体仿真的准确性和效率,解决光学组件系统级建模存在的问题,提出了一种光学组件系统级建模方法,该方法可同时支持与MEMS系统级机械组件和电路组件共同仿真.首先,介绍了多端口组件网络方法、高斯光束特点和空间坐标系变换理论.接着,以微平面镜为例,介绍了光学组件系统级建模方法的流程.最后,采用Verilog-A硬件描述语言建立了包含多个典型光学组件的系统级光学库.使用该库的光学组件在MEMS集成设计工具MEMSGarden中搭建微扫描系统进行了仿真与测试.与商业软件CoventorWare的分析结果相比,提出的建模方法解决了扫描盲区问题,且非差分电压分析的误差小于3％.结果显示,本文提出的建模方法精确有效,对MEMS的系统级设计有参考价值.     

MEMS节点化建模及其在集成微系统设计中的应用

为实现MEMS产品的快速设计和性能验证,在借鉴其结构化设计思想即节点分析法的基础上,提出了一种与常规信号流类比不同,适于集成微机电系统快速仿真的等效电路建模思路和方法。首先,对系统及MEMS器件进行功能及结构分解;然后,分别对各基本单元进行节点化建模,并在一定的机电类比规则下将其转换为等效电网络(元件);最后,根据节点变量约束关系,将这些等效网络(元件)逐层重构为器件级和系统级等效电路。结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对上述方法进行了具体介绍和验证。利用OrCAD等电路仿真器分析、测试了所建立的体现多能域耦合关系的微系统数字化分析原型,结果显示,相对于VHDL-AMS描述法,该模型具有单一域内的更加直观的模型形式和快捷的仿真速度,表明本文提出的方法在复杂MEMS集成系统的分析设计中具有一定的应用价值。     

用于MEMS振镜激光扫描的显微物镜设计

为满足微机电系统（micro-electro-mechanical system,MEMS）二维激光扫描系统对显微物镜小入瞳直径、大入射角度、大视场的要求,利用光学设计软件Zemax设计了一款入瞳直径为1.1 mm,可匹配MEMS二维振镜±18°大扫描角度的近红外无限共轭微型显微物镜。该物镜总长小于23 mm,数值孔径为0.4,分辨率为1.26μm,工作距为900μm,各项像差校正良好,满足使用需求。设计结果表明,该微型显微物镜可满足便携式皮肤检测仪器的MEMS二维振镜激光扫描系统的应用要求。     

微型机电系统在医疗中的应用

微型机电系统是一个新兴的技术领域,其主要优点是体积小、重量轻、能耗少、响应快、大批量、成本低等,有广泛的应用前景。在概述微型机电系统的基础上,介绍了用于医疗的微型机电系统,包括微型传感器、微流量系统、微仪器,以及其它MEMS系统。最后简介了国内在这方面的发展状况。     

面向复杂机电系统虚拟样机技术研究综述

为了使复杂机电系统虚拟样机替代物理样机并提高复杂机电产品设计的质量和效率,综述了复杂机电系统虚拟样机若干关键支撑技术的研究进展和目前存在的问题,主要包括虚拟样机定义、建模技术、多领域仿真、多学科设计优化、系统集成方法以及模型管理,探讨了复杂机电系统虚拟样机技术及其发展方向。为复杂机电系统虚拟样机设计奠定了研究基础。     

多学科设计优化方法的研究及其优化系统的构建

为提高对复杂系统的优化设计效率,构建了针对复杂系统的多学科工程设计优化系统MEDOS.MEDOS系统主要由用户界面、驱动系统、前处理、算法库、数据库及后处理模块组成.MEDOS系统能够对复杂系统进行分解、建模,调用相应的通用算法和专用算法完成优化设计,不仅能够求解一般的工程优化问题,而且对于涉及离散、随机的优化问题也有很强的求解能力,具有友好的用户界面,为应用多学科设计优化方法提供了便利.