微机电系统器件设计综合与优化方法研究

摘要

微型机电系统(MEMS)是集微型机构、结构、执行器、传感器与信号处理、电路、通信、电源、接口等于一体的微米级器件系统。MEMS在航空、航天、汽车、航海、医疗等领域有着广泛潜在的巨大应用前景。按照预定的性能求解设计参数称之为综合,满足给定条件并使某些性能最优称之为优化。目前国内外对MEMS器件的设计综合和优化设计方法研究较少,主要集中为遗传算法、退火算法等自然模拟算法。这些自然模拟算法分析次数多,迭代周期长,效率不是很高,有必要根据MEMS器件的设计综合和优化问题的不同与分析工具研究开发更为合理有效的设计综合和优化方法。本文致力于研究MEMS器件的设计综合与优化设计方法,主要包括:(1)MEMS器件设计综合方法研究;(2)MEMS器件优化设计方法研究。本文研究成果不仅具有重要学术价值,而且具有重要工程应用意义。
　　 本文的主要工作如下:
　　 (1)MEMS器件的设计综合新方法研究。目前大多把MEMG器件设计综合问题转化成基于最小二乘的优化问题,并采用自然模拟算法如退火算法、遗传算法等对MEMG器件进行设计综合计算,但其计算效率和精度不是很高。本人认为MEMS器件设计综合问题实际上就是要求设计的MEMS器件性能参数等于预定数值,针对MEMS器件设计综合问题的这种特点本文提出了采用高效的按预定性能直接求解设计方程法对MEMS器件进行设计综合。同时针对MEMS器件的设计综合问题构建了适用于MEMS器件的设计综合程序流程与框架,并采用MATLAB编制了适用于解决设计综合问题的通用可行的综合设计程序,为MEMS器件的设计综合提供了很好的设计综合手段和软件工具。
　　 (2)将按预定性能直接求解设计方程法应用于典型的MEMS器件—蛇形弹簧和微谐振器的设计综合。分析了蛇形弹簧和微谐振器的设计要素,构建了蛇形弹簧和微谐振器的设计综合数学模型,基于SUGAR采用按预定性能直接求解设计方程法进行了设计综合,计算效率和计算结果验证了本文求解方法的优越性。并采用ANSYS进行了建模、分析仿真与验证。
　　 (3)MEMS器件的优化设计新方法研究。为了提高当今大多采用的遗传算法等自然模拟算法的优化效率和优化精度,针对MEMS器件的优化设计问题特点提出了采用高效的基于敏度计算的导重法对MEMS器件进行优化设计。同时针对MEMS器件的优化设计问题采用MATLAB软件开发编制了通用可行的优化设计程序。为MEMS器件的优化设计提供了很好的优化软件工具。
　　 (4)将导重法应用于SEMS器件—静电激励器和微加速度的优化设计中。分析了静电激励器和梳齿式微加速度计的设计要素,构造了静电激励器和微加速度计的优化数学模型,基于SUGAR采用导重法对其进行了优化设计,计算效率和计算结果验证了导重法的优越性。并采用ANSYS软件进行了建模、分析仿真来验证校核。
　　 (5)提出了混合基因—导重法。结合遗传算法和基于敏度的导重法提出混合基因—导重法,充分利用各自的优点来提高优化效率和优化精度。