微机械系统技术与发展动力学

MEMS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,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,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1.7MEMS技术小结,1.1MEMS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),1.2MEMS基本模型,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Thereisplentyofroomatthebottom1964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,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,1.5MEMS研究成果,Firstbatch-fabricatedMEMS（1964）,FirstpolysiliconsurfacemicromachinedMEMSdevice(1984),Firstelectrostaticmicromotor（1988）,MEMS历史上几个重要的第一次,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,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,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,2MEMS动力学问题研究,2.1微尺度效应2.2多能域耦合效应2.3MEMS非线性动力学问题2.4动力学建模和模拟分析方法,2.1微尺度效应(),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?,2.1微尺度效应(),尺度范围:微型机械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1mNEMS100nm-0.1nm,2.1微尺度效应(),S/VratioshrinkswiththescalefrictioninertiaheatdissipationheatstorageelectrostaticforcemagneticforceenergycouplingenergyproductionImportantdecreaseinmanufacturingrelativeaccuracyShrinkingworld,changingbehavior,微尺度律,2.1微尺度效应(),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,2.1微尺度效应(),各种驱动器的尺度效应,2.1微尺度效应(),驱动力的微尺度效应,静电力,电磁力,压电力,热动力,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,2.3MEMS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,2.4动力学建模和模拟分析方法(),建模过程,2.4动力学建模和模拟分析方法(),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,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,3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,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),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,3.1微旋转机械的研究现状,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75125s，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,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,3.1微旋转机械的研究现状,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,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,A.微转子动力学建模与分析,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(),摩擦系数的测量,各种微电机摩擦系数,B.微转子系统摩擦磨损问题研究(),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,C.微轴承动力润滑问题研究(),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(),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(),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(),AFM测试多晶硅微电机,AFM,3.4微旋转机械的实验检测(),微发动机测试摩擦力,3.4微旋转机械的实验检测(),微涡轮机实验测试系统,Microturbine,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,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,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,A.微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析(),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(),刚度系数,阻尼系数,穿孔效应,B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(),压膜阻尼力,动力学模型,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(),吸合效应(Pull-in),静电刚度软化效应,固有非线性特性,B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(),参数激励与外激励耦合响应,非线性马休(Mathieu)方程,幅频关系,B.静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析(),分岔与混沌特性分析,交流电压幅值,压膜阻尼比,C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(),动力学模型,C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(),Rayleigh-Ritz方法,线性化反馈控制,C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(),模态形状,C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(),模态频率,C.压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制(),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,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,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,B.微转子枢轴摩擦磨损特性分析(),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,B.微转子枢轴摩擦磨损特性分析(),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(),SEMphotoofamicro-motorwith12/8(stator/rotor)poles,Ref.:S.F.Bart,M.Mehregany,L.S.Tavrow,J.H.Lang,S.D.Senturia,Electricmicromotordynamics,IEEETransactionsonelectrondevices39(3)1992566-575.,研究背景,C.微转子轴衬摩擦磨损特性分析(),滑行磨损模型,有限元模型,C.微转子轴衬摩擦磨损特性分析(),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(),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,D.微转子的材料选择(),材料性能关系,弹性模量与断裂强度,弹性模量与密度,4.3微转子-固定轴承接触问题研究(),数学模型,接触压力,接触应力,接触应变,Mathematicmodel,接触应力,接触应变,4.3微转子-固定轴承接触问题研究(),4.3微转子-固定轴承接触问题研究(),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,4.3微转子-固定轴承接触问题研究(),接触压力、应力与应变,(a),(a),(b),(c),(b),(c),Notes:(a)-VonMisesstress(b)-VonMisesstrain(c)-contactpressureAppliedvoltageU=100V,4.3微转子-固定轴承接触问题研究(),摩擦系数的影响,最大VonMises应力,最大接触压力,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),动力学模型,碰摩力分析,微转子模型,碰摩力模型,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),摩擦机理分析,Roughsurface,Multipleasperities,Singleasperity,Numerical,Fractal,Statistical,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),摩擦模型,库仑摩擦模型,微尺度分形摩擦模型,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),运动学方程,碰摩状态,无碰摩状态,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),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,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,阻尼-频率比,摩擦系数-频率比,定转子间隙-频率比,注:(1)稳定区；(2)不稳定区；(3)不稳定区，但解是稳定的,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),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(),偏心量的影响,微尺度分形摩擦模型,库仑摩擦模型,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),阻尼系数的影响,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),分形尺度的影响,(a)D=1.2;(b)D=1.6,4.4微转子系统碰摩动力学特性分析(),尺度长度的影响,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,A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(),ForKn10,thecontinuumapproachbreaksdowncompletelyandtheregimecanbedescribedasbeingafreemolecularflow,A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(),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,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(),修正的Reynolds方程,Non-dimensionalflowrateversustheinverseKnudsennumber,A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(),Non-dimensionalflowrateversustheinverseKnudsennumberundertheeffectsofgasrarefactionandroughness,流动速率轮廓,A.阶梯滑行轴承润滑特性分析(),压力分析,Bearingnumber=50;X_step=0.4L,Bearingnumber=10,承载能力,Relationbetweenloadcarryingcapacitywithspacing,B.径向气体轴承润滑特性分析(),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0.50.9努森数0.0110.053(0.0110),B.径向气体轴承润滑特性分析(),数学模型,微转子-气体轴承模型,修正Reynolds方程,B.径向气体轴承润滑特性分析(),数值计算分析,压力分布,承载能力,数值计算网格划分,B.径向气体轴承润滑特性分析(),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(),偏心量对承载能力的影响,B.径向气体轴承润滑特性分析(),转速对承载能力的影响,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(),2mm与6mm电机,6mm电机,2mm电机,测试系统,4.7电磁薄膜微电机振动测试实验分析(),测试系统简