多学科设计优化及在MEMS设计中应用的研究

论文摘要

微机电系统(MEMS)是涉及微电子学、微机械学、微流体学等多个学科领域内容的复杂系统,具有多学科、多物理域交叉耦合的特点,为其产品的设计带来了较大的难度。针对这一问题,将多学科设计优化(MDO)方法应用到MEMS的设计之中,研究面向非层级复杂系统的多学科变量耦合优化设计方法,并将其应用于微机械加速度计的优化设计之中。本课题的研究对于微机电系统等多学科复杂系统的设计和优化具有较大的理论研究意义和应用前景。本文的研究工作主要包括以下几个方面:1.分析了微机电系统在设计中面临的问题,基于多学科设计优化方法在复杂系统优化设计上的优势,提出了将多学科设计优化方法引入到微机电系统的设计之中,构建了微机电系统的多学科设计优化系统(MMDOS)框架,提出了系统的组成和各部分工作原理。针对层级系统、非层级系统和混合层级系统提出了多学科层级兼容、多学科变量耦合、多学科目标兼容和多学科混合协调等四种优化策略。2.研究了面向非层级复杂系统的多学科变量耦合优化设计方法,提出了系统分解、子系统优化模型建立、构造耦合函数以及系统级协调的方法。通过设置理想耦合点,构造耦合函数,使子系统在各自独立优化设计的同时,在系统级的协调下达到耦合关系的满足,并使系统得到总体上的优化。并在此基础上,研制了相应的算法MVCDO。3.以典型的MEMS产品——微机械加速度计为对象,对微加速度计中结构粘附失效问题进行研究,得出了判断微加速度计结构粘附程度的剥离数的数学表达式。在对梳齿式和扭摆式微加速度计各学科的设计要素和耦合关系进行分析的基础上,建立了多学科设计优化模型,应用多学科变量耦合优化方法进行优化设计,提高了微加速度计的性能,对所提出的多学科变量耦合优化方法和研制的MVCDO算法进行了验证。本论文的研究成果具有理论意义和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 课题综述
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题的研究内容
• 1.3 课题的难点
• 1.4 课题的意义
• 1.5 本章小结
• 2 多学科设计优化
• 2.1 多学科设计优化的基本概念
• 2.2 多学科设计优化方法与传统优化方法的区别
• 2.3 多学科设计优化框架模型
• 2.3.1 单级优化设计方法
• 2.3.2 多级优化设计方法
• 2.4 本章小结
• 3 微机电系统的设计
• 3.1 微机电系统概述
• 3.1.1 微机电系统的特点
• 3.1.2 MEMS 的加工工艺
• 3.1.3 MEMS 的典型器件及应用
• 3.2 微机电系统的设计技术
• 3.2.1 微机电系统设计中面临的问题
• 3.2.2 微机电系统多物理域耦合设计的方法
• 3.3 微机电系统的多学科设计优化
• 3.3.1 复杂系统的分类
• 3.3.2 微机电系统的多学科设计优化所需解决的问题
• 3.3.3 微机电系统的多学科设计优化的基本思路
• 3.4 本章小结
• 4 微机电系统的多学科设计优化系统MMDOS
• 4.1 系统的总体结构
• 4.2 系统的组成
• 4.2.1 用户界面
• 4.2.2 前处理
• 4.2.3 MMDOS 驱动系统
• 4.2.4 MMDOS 算法库
• 4.2.5 数据库
• 4.2.6 后处理模块
• 4.3 系统的特点
• 4.4 本章小结
• 5 多学科变量耦合优化设计方法
• 5.1 总体思路
• 5.2 系统分解
• 5.3 子系统建模
• 5.3.1 子系统间耦合关系的分析
• 5.3.2 子系统耦合变量的替代
• 5.4 系统级协调
• 5.4.1 理想耦合点的确定
• 5.4.2 多个子系统的耦合情况
• 5.4.3 耦合函数的构造
• 5.5 多学科变量耦合优化设计方法的系统模型
• 5.6 多学科变量耦合优化设计算法的工作流程
• 5.7 多学科变量耦合优化设计算法的子系统优化算法
• 5.8 本章小结
• 6 梳齿式微机械加速度计的多学科设计及优化
• 6.1 工作原理
• 6.2 设计分析
• 6.2.1 折叠梁的强度分析
• 6.2.2 折叠梁的刚度及模态频率
• 6.2.3 结构粘附问题的研究
• 6.2.4 分辨率
• 6.2.5 静电负刚度
• 6.2.6 最大量程
• 6.2.7 热分析
• 6.3 梳齿式微加速度计两个子系统的优化设计
• 6.3.1 优化模型的建立
• 6.3.2 子系统优化工具的选择
• 6.3.3 优化结果及分析
• 6.4 梳齿式微加速度计三个子系统的优化设计
• 6.4.1 优化模型的建立
• 6.4.2 优化结果及仿真分析
• 6.5 本章小结
• 7 扭摆式微机械加速度计的多学科设计及优化
• 7.1 工作原理
• 7.2 设计分析
• 7.2.1 支撑梁的强度分析
• 7.2.2 刚度及模态频率分析
• 7.2.3 结构粘附问题的研究
• 7.2.4 分辨率、静电负刚度和最大量程
• 7.3 扭摆式微加速度计的优化设计
• 7.3.1 优化模型的建立
• 7.3.2 优化结果及分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 课题的创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附录A 矩形截面杆扭转时的系数α、β和ν
• 附录B 梳齿式微加速度计多学科优化设计过程数据
• 附录C 扭摆式微加速度计多学科优化设计过程数据
• 在学研究成果
• 致谢