《微機(jī)電系統(tǒng)課程(機(jī)電專業(yè)).ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《微機(jī)電系統(tǒng)課程(機(jī)電專業(yè)).ppt（61頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、MEMS資訊網(wǎng)（）,微機(jī)電系統(tǒng),機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)選修課程,Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS),微機(jī)電系統(tǒng),,MEMS資訊網(wǎng)（）,第二章MEMS的設(shè)計(jì),內(nèi)容提要,硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)微尺度效應(yīng)MEMS設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題MEMS設(shè)計(jì)的具體方法,MEMS資訊網(wǎng)（）,金剛石立方形式=面心立方結(jié)構(gòu)+沿對(duì)角線錯(cuò)位1/4晶格常數(shù)a=5.43每一個(gè)硅原子和與之緊鄰的四個(gè)硅原子組成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu),一、硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)分析假設(shè),1、硅的晶面/晶向硅的晶胞結(jié)構(gòu),MEMS資訊網(wǎng)（）,晶面與晶面族——（），三點(diǎn)性質(zhì)。一般簡(jiǎn)稱晶面不平行的晶面族——{}晶向——[],密勒指數(shù),

2、晶面與晶向,MEMS資訊網(wǎng)（）,各向異性,表現(xiàn)：——材料性質(zhì)（強(qiáng)度等）——加工速率（腐蝕、擴(kuò)散、注入等）,硅單晶原子密度（111）>（110）>（100）擴(kuò)散速度、腐蝕速度[111]<[110]<[100],原因：晶面原子密度——書(shū)表2.4,MEMS資訊網(wǎng)（）,材料性質(zhì)——無(wú)缺陷晶體材料變形——原子偏離晶格節(jié)點(diǎn)原平衡位置幾何模型——所有格點(diǎn)用位置矩陣表達(dá)空間節(jié)點(diǎn)鉸接桁架結(jié)構(gòu)模型晶格點(diǎn)上的作用力——慣性力（外力）+原子間作用力（內(nèi)力）邊界條件接觸面固定，則該面上所有的位移為零晶體內(nèi)晶面之間的關(guān)系,原理——將晶格視為空間珩架進(jìn)行有限元分析,2、微觀力學(xué)分析假設(shè),分析前提——理論假設(shè),MEMS資訊網(wǎng)

3、（）,動(dòng)力學(xué)例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm,二、MEMS微尺度效應(yīng),1、幾何結(jié)構(gòu)學(xué)中的尺度效應(yīng),尺度縮小到微米以下將會(huì)帶來(lái)不同物理后果；有些尺度的微型化在物理學(xué)上是行不通的,影響到：動(dòng)力學(xué)慣量、流體表面力、熱慣量與熱傳遞,MEMS資訊網(wǎng)（）,微鏡是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中微開(kāi)關(guān)的必要零件，要求高速旋轉(zhuǎn)，取決于角動(dòng)量,動(dòng)力學(xué)例：微鏡的響應(yīng)速度,微鏡的截面慣性矩,如果尺寸各減少1/2,MEMS資訊網(wǎng)（）,2、剛體動(dòng)力學(xué)中的尺度效應(yīng),,剛體的慣性力與它的質(zhì)量和由于慣性作用使剛體起動(dòng)或者停止時(shí)所需的加速度有關(guān)，對(duì)剛體部件進(jìn)行微型化時(shí)，必須考慮由于尺寸減小使得產(chǎn)生和傳遞運(yùn)動(dòng)所需要的功、

4、力、壓力和時(shí)間等物理量產(chǎn)生的變化。(1)動(dòng)力學(xué)中的尺度剛體從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，運(yùn)動(dòng)的距離,L代表線性尺度，速度V=S/T，因此，當(dāng)初速度為零時(shí)，力F為:式中剛體的質(zhì)量(2)Trimmer力尺度向量Trimmer[1989]提出的一個(gè)獨(dú)特的代表力尺度的矩陣。,MEMS資訊網(wǎng)（）,這個(gè)矩陣與描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)尺度的加速度a、時(shí)間t和功率密度等參數(shù)有關(guān)，這個(gè)矩陣稱為力尺度向量F,時(shí)間T,a=F/M,MEMS資訊網(wǎng)（）,功率密度為每單位體積V0供應(yīng)的功率p。能量在MEMS的設(shè)計(jì)中是一個(gè)很重要的參數(shù)，能量不足導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)動(dòng)，能量過(guò)大可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞，過(guò)大功率會(huì)增加運(yùn)行成本，同時(shí)也會(huì)縮短器件的工作壽命

5、。剛體作功，W=FS，功率P=W/T功率密度則功率密度的尺度向量；,功率密度,MEMS資訊網(wǎng)（）,MEMS資訊網(wǎng)（）,以平板電容為例，如圖2.26所示。平板中的電勢(shì)能為式中擊穿電壓v隨兩平行板的間隙變化，該變化如圖2.27所示，稱為Paschen效應(yīng)。當(dāng)時(shí)，隨著間隙的增加，擊穿電壓v急劇下降。然而當(dāng)時(shí)，電壓的變化改變方向。進(jìn)一步增加間隙，擊穿電壓繼續(xù)線形增加。,圖2.26充電的平行板,3、靜電力中的尺度效應(yīng),MEMS資訊網(wǎng)（）,圖2.27Paschen效應(yīng),當(dāng),擊穿電壓隨d的增加而增加，V隨尺度變化為平板電容中靜電勢(shì)能的尺度為上式尺度說(shuō)明如果W,L和d同時(shí)減小10倍，電動(dòng)勢(shì)將減小1000倍。下

6、面是靜電力的尺度規(guī)律；垂直于平行板方向的靜電力（沿d方向）為,MEMS資訊網(wǎng)（）,3個(gè)方向靜電力與尺度有關(guān)減小平板尺寸靜電力,沿寬邊W的靜電力,4、電磁場(chǎng)中的尺度效應(yīng),沿長(zhǎng)邊L的靜電力,MEMS資訊網(wǎng)（）,根據(jù)物理學(xué)中電磁場(chǎng)理論，處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)中的導(dǎo)體通入電流i時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部或?qū)щ娋€圈所受電磁力為F，Q為導(dǎo)體單位面積的電荷，電動(dòng)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)電子通過(guò)導(dǎo)體的力。驅(qū)動(dòng)電荷的能量為產(chǎn)生的電磁力將會(huì)改變磁場(chǎng)中導(dǎo)體的相對(duì)位移，可得到這些力的表達(dá)式,MEMS資訊網(wǎng)（）,如果考慮恒定電流流動(dòng)情況即產(chǎn)生的電磁力為上式電流i與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，既,是無(wú)量綱的，因此電磁力的尺度為由上式可知，尺度減小10倍，將會(huì)

7、導(dǎo)致電磁力減小104，即10000倍，這與靜電力與L2成比例形成鮮明對(duì)比，電磁力在尺度方面不利的減小是靜電力的100倍。這就是為什么幾乎所有的微馬達(dá)和制動(dòng)器都采用靜電驅(qū)動(dòng)，而宏觀的馬達(dá)和制動(dòng)器通常采用電磁驅(qū)動(dòng)。另外一個(gè)原因是由于空間的容量問(wèn)題。,MEMS資訊網(wǎng)（）,電能是MEMS的主要能源。電主要應(yīng)用在微系統(tǒng)的靜電、壓電和熱阻加熱驅(qū)動(dòng)上。涉及到電的尺度規(guī)律可以從電阻、電阻功率損失、電場(chǎng)能等物理規(guī)律中得出。電阻電阻功率損失式中，V是所加電壓電場(chǎng)能,5、電學(xué)中的尺度效應(yīng),MEMS資訊網(wǎng)（）,這些尺度規(guī)律證明對(duì)于器件的微型化是有用的。但是對(duì)一個(gè)帶有電源的系統(tǒng)，如靜電驅(qū)動(dòng)電路電源功率損失與可用能量的比

8、率為上式說(shuō)明能量供給系統(tǒng)尺度減小時(shí)的不利，當(dāng)電源的尺度減小10倍（如電源用于導(dǎo)電的材料線性尺寸）會(huì)導(dǎo)致由于電阻率的增加而引起的100倍功率損失。,MEMS資訊網(wǎng)（）,對(duì)微小體積流動(dòng)，毛細(xì)現(xiàn)象是主要問(wèn)題。毛細(xì)流動(dòng)不能隨意按比例縮小.,6、流體力學(xué)中的尺度效應(yīng),對(duì)于微尺度，幾乎所有的流體流動(dòng)都是層流，因此用圓管層流公式推導(dǎo)微尺度流體流動(dòng)的尺度效應(yīng)。流體流經(jīng)長(zhǎng)度為l，半徑為a的小圓管時(shí)的壓降可用哈根-泊肅葉定律算出。,流體的體積流速,式中:a為管的半徑，為管長(zhǎng)l的壓差,MEMS資訊網(wǎng)（）,結(jié)論：當(dāng)管的半徑減小10倍時(shí)，單位長(zhǎng)度的管壓降將提高1000倍。上述分析表明在微米和亞微米尺度下，由于流體流動(dòng)的

9、尺度減小所引起的不利情況需要尋找新的原理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容積驅(qū)動(dòng)。這些新原理包括壓電、電滲、電濕潤(rùn)和電液力驅(qū)動(dòng)。,壓力梯度為,MEMS資訊網(wǎng)（）,傳熱有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。大多微系統(tǒng)熱傳遞采用導(dǎo)熱和對(duì)流。,7．傳熱中的尺度效應(yīng),（1）傳導(dǎo)中的尺度效應(yīng)1）熱通量的尺度固體中的導(dǎo)熱符合傅立葉定律，對(duì)于一維x坐標(biāo)方向的導(dǎo)熱為,MEMS資訊網(wǎng)（）,式中qx是沿x方向的熱通量；k是固體導(dǎo)熱率：T(x,y,z,t)為固體在直角坐標(biāo)下，時(shí)間為t時(shí)的溫度場(chǎng)。,一般固體的熱流量形式為,對(duì)于介觀和微觀的導(dǎo)熱，其尺度規(guī)律為,MEMS資訊網(wǎng)（）,2）介觀和微觀固體熱傳導(dǎo)效應(yīng)的尺度在瞬態(tài)導(dǎo)熱分析中，經(jīng)常使用無(wú)量綱的

10、傅立葉數(shù)決定時(shí)間增量。它在數(shù)學(xué)上定義為,式中：為材料熱擴(kuò)散率；t為熱流量通過(guò)特征長(zhǎng)度l的時(shí)間。,從上式可知固體導(dǎo)熱時(shí)間的尺度,式中的F0和為常數(shù),MEMS資訊網(wǎng)（）,固體在亞微米尺度內(nèi)熱流量的尺度規(guī)律表示尺寸減小10倍將導(dǎo)致熱流量減小100倍。,MEMS資訊網(wǎng)（）,（2）對(duì)流中的尺度效應(yīng),對(duì)流時(shí)，固體與流體界面處出現(xiàn)邊界層，由牛頓冷卻定律描述式中Q為流體中兩點(diǎn)間的熱流總量，q是相應(yīng)的熱通量，A是熱流的橫截面積，h為傳熱系數(shù)，是兩點(diǎn)之間的溫差。,MEMS資訊網(wǎng)（）,3.多能量域耦合要求知識(shí)學(xué)科跨度大建模、分析難度大計(jì)算量大,特點(diǎn)：,目的：設(shè)計(jì)階段比較方案，檢驗(yàn)掩模/工藝可行性,三、MEMS的CA

11、D與仿真,1、MEMS的CAD,1.微小結(jié)構(gòu)尺寸尺度效應(yīng)對(duì)工作機(jī)理的影響晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)材料性質(zhì)的影響,2.MEMS制造工藝工藝可能改變材料機(jī)械/電性質(zhì)與微電子聯(lián)系緊密,MEMS資訊網(wǎng)（）,2、MEMS建模,建模過(guò)程工程實(shí)際狀態(tài)的模型化物理模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立仿真驗(yàn)?zāi)?建模要求正確性可視性網(wǎng)格劃分的適用性,——目的：對(duì)實(shí)際工程狀態(tài)的特性進(jìn)行分析計(jì)算,MEMS資訊網(wǎng)（）,兩種分析方法,A.微分方程組求解法物理有效量多與時(shí)間和空間有關(guān)，因此求解較難數(shù)學(xué)近似方法：將微分轉(zhuǎn)換為差分等,B.有限元方法將研究對(duì)象物理近似成模型數(shù)學(xué)近似方法：離散化,MEMS資訊網(wǎng)（）,3、ANSYS、NASTRAN程序簡(jiǎn)

12、介(1)ANSYS在MEMS設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,直接耦合方法——受到耦合許可的限制序貫耦合方法——對(duì)一個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行分析后，將結(jié)果輸入到隨后的另一個(gè)物理分析中，只要非線性程度不高，序貫耦合分析是有效的,多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題,模塊——結(jié)構(gòu)、電磁、熱傳導(dǎo)、聲學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等,MEMS資訊網(wǎng)（）,靜態(tài)分析——求變形、電場(chǎng)、磁通密度及應(yīng)力分布等模態(tài)分析——求固有頻率和振型諧波響應(yīng)分析——求對(duì)諧波載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)分析——求系統(tǒng)對(duì)任意隨時(shí)間變化載荷（電流、電壓和力等）的響應(yīng)。,壓電分析問(wèn)題,微細(xì)化處理問(wèn)題,網(wǎng)格直接局部細(xì)分法欠缺尺度效應(yīng)的考慮,MEMS資訊網(wǎng)（）,靜力分析——與時(shí)間無(wú)關(guān)（或可忽略

13、）的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強(qiáng)制位移、慣性力等）下的響應(yīng)，并得出所需節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、約束（反）力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力和應(yīng)變能等動(dòng)力學(xué)分析——瞬態(tài)響應(yīng)、振動(dòng)模態(tài)、沖擊譜、動(dòng)力靈敏度、聲學(xué)分析等。阻尼類(lèi)型、動(dòng)力定義方式類(lèi)型決定其分析能力。屈曲分析（穩(wěn)定性分析）——確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷,（2）NASTRAN的模塊介紹,MEMS資訊網(wǎng)（）,非線性分析——考慮材料和幾何、邊界和單元的非線性因素，當(dāng)材料在達(dá)到初始屈服極限時(shí)，往往還有很大潛力，采用非線性分析會(huì)得到有效的結(jié)果熱傳導(dǎo)分析——計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱分布狀況流體/固體耦合分析——解決流體和結(jié)構(gòu)之間的互相作用效應(yīng)，NASTRAN擁有流/固體

14、耦合法、非彈性流體單元法、虛質(zhì)量法等方法空氣動(dòng)力彈性及顫振分析——?dú)鈩?dòng)、慣性及結(jié)構(gòu)力間的相互作用，NASTRAN可作靜態(tài)和動(dòng)態(tài)氣彈響應(yīng)分析、顫振分析及氣彈優(yōu)化。,MEMS資訊網(wǎng)（）,四、MEMS的設(shè)計(jì),MEMS的設(shè)計(jì)涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微傳感器設(shè)計(jì)、微執(zhí)行器設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)和能量供給的設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)是解決人們?cè)谏a(chǎn)和生活中遇到需要解決的問(wèn)題。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程設(shè)計(jì)一般能夠被描述為以下三種解決問(wèn)題的過(guò)程。（1）綜合問(wèn)題的解決：當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)集中解決設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，能夠被描述為處理問(wèn)題過(guò)程.其流程如圖2.1所示：,MEMS資訊網(wǎng)（）,,（2）產(chǎn)品綜合：當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品集中于應(yīng)用系統(tǒng)理論,以及在設(shè)計(jì)工作中必須處理制造產(chǎn)品問(wèn)

15、題的過(guò)程,這種起始點(diǎn)是明確所需要的功能和所處理的技術(shù)資料,產(chǎn)品綜合工作流程如圖2.2所示.,,MEMS資訊網(wǎng)（）,,(3)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)集成：從市場(chǎng)需要出發(fā)到開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的活動(dòng)，設(shè)計(jì)與市場(chǎng)及制造相聯(lián)系的產(chǎn)品，這時(shí)處理的結(jié)果不是產(chǎn)品,而是商務(wù).其流程如圖2.3所示.,,MEMS資訊網(wǎng)（）,,,,因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是人們預(yù)想的實(shí)現(xiàn),是新的觀點(diǎn)的產(chǎn)生。為滿足人們的需要，在進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮產(chǎn)品具有哪些功能,這些功能由什么方式實(shí)現(xiàn)。首先要求對(duì)所設(shè)計(jì)的MEMS產(chǎn)品展開(kāi)系統(tǒng)功能分析。確定功能度，描述產(chǎn)品的功能，最后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前有三種設(shè)計(jì)方法可供選用:（1）從系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)開(kāi)始,展開(kāi)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2）從系統(tǒng)

16、設(shè)計(jì)展開(kāi)到子系統(tǒng),元器件設(shè)計(jì).（3）中間相遇方法(Meet-in-the-Middle),以一個(gè)簡(jiǎn)單的微系統(tǒng)為例，圖2.4所示是微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程框圖。,MEMS資訊網(wǎng)（）,,MEMS資訊網(wǎng)（）,中間相遇方法的特點(diǎn)：每一個(gè)步驟的執(zhí)行不是嚴(yán)格一成不變的，而是取決于所取得的中間結(jié)果(有可能返回)，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常要被所有過(guò)程所利用。由于設(shè)計(jì)和制造與微系統(tǒng)的特性是相互緊密聯(lián)系的，最后的設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生在掩模版圖上，并以此對(duì)電子元器件、功能模塊、子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。因此中間相遇方法使用相對(duì)要多一些。2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,MEMS資訊網(wǎng)（）,從功能觀點(diǎn)分析，MEMS產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組成:主功能模塊：包含有對(duì)物質(zhì)、能

17、量和信息的變換、傳輸、儲(chǔ)存三種功能模塊及動(dòng)力功能模塊，控制信息模塊，實(shí)施對(duì)系統(tǒng)功能的操作指揮，程序的編排等功能，這是系統(tǒng)必不可少的重要功能。此外還有結(jié)構(gòu)功能模塊含有系統(tǒng)內(nèi)各組成部分必須確定在要求的位置上實(shí)現(xiàn)功能，即在一個(gè)芯片上或者幾個(gè)芯片鍵合在一起，從結(jié)構(gòu)角度形成一個(gè)整體。結(jié)構(gòu)功能對(duì)系統(tǒng)各功能操作實(shí)現(xiàn)有很大影響。系統(tǒng)各功能模塊的組成，如圖,MEMS資訊網(wǎng)（）,,MEMS資訊網(wǎng)（）,,,,MEMS產(chǎn)品的各種功能模塊具有類(lèi)似于人體各部分的功能，如圖2.6所示,MEMS資訊網(wǎng)（）,從機(jī)械電子學(xué)的概念和設(shè)計(jì)方法發(fā)展到MEMS的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是一致的.當(dāng)前,有5種設(shè)計(jì)思路。J.Kawakita

18、法，M.NaKayama法，Key-Needs法，Kepner-Tregoe法，Z.G..Zhu-M..Kajitani法。M..Kajitani法.2.1.1．J.Kawakita法J.Kawakita法簡(jiǎn)稱K.J法.K.J法是由底向上處理大量數(shù)據(jù)之間關(guān)系的一種假設(shè)。K．J法思路步驟：（1）標(biāo)簽制作：（2）標(biāo)簽歸類(lèi)（3）范圍制作：（4）說(shuō)明：,MEMS資訊網(wǎng)（）,另外KJ法的派生有累積KJ法。累積KJ法是基于收集信息系統(tǒng)化的一種方法，為解決實(shí)際問(wèn)題存在一種了解信息結(jié)構(gòu)而客觀的觀點(diǎn)。根據(jù)一種“W形態(tài)問(wèn)題解決的模型”Kawakita建議從2個(gè)周期到6個(gè)周期累積法使問(wèn)題得到解決。如圖2.8所示。（

19、a）基礎(chǔ)概要：?jiǎn)栴}解答的步驟（b）KJ法的6個(gè)周期,MEMS資訊網(wǎng)（）,,圖2.8KJ法W型態(tài)問(wèn)題解決流程圖,MEMS資訊網(wǎng)（）,2.1.2MNakayama法M．Nakayama法簡(jiǎn)稱NM法。NM法是在自然式日常生活中尋找比擬法創(chuàng)造和開(kāi)發(fā)新技術(shù)觀點(diǎn)，應(yīng)用到不同的問(wèn)題型式中。NM法是根據(jù)人腦功能的一種假設(shè)，在Nakayama的“人腦計(jì)算機(jī)模型（HBC）”中描述。其思路框圖如圖2.9所示。NM法的四種技術(shù)：（1）NM法的A型式和S型式，A型式（面積）：空間的聯(lián)合，S型式（連續(xù)的）；時(shí)間的聯(lián)合，當(dāng)制作電影或卡通片時(shí)，用來(lái)創(chuàng)造驚奇的戰(zhàn)果。,MEMS資訊網(wǎng)（）,,MEMS資訊網(wǎng)（）,（2）NM法的T型

20、式（用3種問(wèn)題型式的求解，創(chuàng)造許多類(lèi)比。（3）NM法的H型式，（4）NM法的D型式：2.1.3KEY-NEEDS法KEY-NEEDS法，中文稱為關(guān)鍵需要法。關(guān)鍵需要法是一種創(chuàng)造與使用者需要一致的新產(chǎn)品概念的工具。2.1.3.1關(guān)鍵需要法的基礎(chǔ)關(guān)鍵需要法的概念及特性的評(píng)定，評(píng)價(jià)的方法有兩種：正評(píng)價(jià)方法，用第一次試驗(yàn)獲得概念評(píng)價(jià)，反復(fù)試驗(yàn)獲得性能評(píng)價(jià)；性能負(fù)評(píng)價(jià)方法，對(duì)一種信譽(yù)低劣的產(chǎn)品或者名稱，進(jìn)行評(píng)價(jià)。,MEMS資訊網(wǎng)（）,（1）需求與根源,MEMS資訊網(wǎng)（）,（2）需要的水準(zhǔn)（3）關(guān)鍵需要法的思考—處理模式,MEMS資訊網(wǎng)（）,2.1.3.2關(guān)鍵需要法的技術(shù)步驟2.1.4Kepener—Tr

21、egoe法Kepener—Tregoe法是確立問(wèn)題，分析和做出判定的4種技術(shù)結(jié)合。這種方法在制造業(yè)中，已被中級(jí)管理者成功的應(yīng)用，也是他們工作方法的提煉。Kepener—Tregoe法的要點(diǎn)（1）：確立問(wèn)題的模式和解決的方法（2）有意識(shí)地區(qū)別思考范圍的不同，用分析、評(píng)價(jià)、選擇等方法，一步一步的接近結(jié)果。（3）針對(duì)確定的對(duì)象，促進(jìn)對(duì)象的評(píng)價(jià)和判定。Kepener—Tregoe法中的4種技術(shù)方法：,MEMS資訊網(wǎng)（）,,MEMS資訊網(wǎng)（）,該方法于1993發(fā)表在日本“Mechatronics：雜志上，是針對(duì)機(jī)械電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用，包括4個(gè)步驟：2.1.5.1產(chǎn)品功能分析；2.1.5.2實(shí)現(xiàn)模塊功

22、能，選擇實(shí)施的方案（1）為實(shí)現(xiàn)Fi模塊的功能，確定在各個(gè)學(xué)科技術(shù)中可提供的方案，若采用機(jī)械學(xué)的技術(shù)，可提供的實(shí)施方案有m個(gè)，記作，，……。用矩陣記為。同樣地，若采用電子學(xué)的技術(shù)，可提供的實(shí)施方案有P個(gè)，用矩陣記作為{}。2.1.5.3多種方案的綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1.5.4產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì),,,,,,2.1.5．朱鐘淦—捤谷誠(chéng)方法,MEMS資訊網(wǎng)（）,2.2接口設(shè)計(jì)在MEMS產(chǎn)品中，接口設(shè)計(jì)是十分重要的，一般接口分為硬接口和軟接口，還應(yīng)考慮微觀與宏觀接口設(shè)計(jì)。2.2.1硬接口以硬件形式完成子系統(tǒng)，功能模塊之間的物質(zhì)，信息，能量的輸入與輸出的變換，傳輸。按其作用可分為零接口，主動(dòng)接口，被動(dòng)接口，智

23、能接口。2.2.2軟接口應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)接口功能。,MEMS資訊網(wǎng)（）,計(jì)算機(jī)控制與電子硬件運(yùn)行依靠軟接口實(shí)現(xiàn)，而計(jì)算機(jī)控制與機(jī)械之間不能直接接口，而是通過(guò)傳感器的轉(zhuǎn)換，才能用軟接口連接。2.2.3微觀與宏觀接口設(shè)計(jì)根據(jù)目前的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微觀與宏觀接口設(shè)計(jì)的傳輸原理和相應(yīng)的傳輸元件列于表2.2中。微觀與宏觀接口設(shè)計(jì)中傳輸元件的設(shè)計(jì)是多樣性的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免重復(fù)進(jìn)行。對(duì)于這種接口設(shè)計(jì)必須采用多次中間相遇的設(shè)計(jì)方法。2.2.3.1信息與能量傳輸?shù)慕涌谠O(shè)計(jì)（1）電學(xué)的微觀與宏觀耦合設(shè)計(jì),MEMS資訊網(wǎng)（）,（2）光學(xué)的微觀和宏觀接口設(shè)計(jì)（3）機(jī)械的微觀與宏觀接口（4）超聲傳輸2.2.3.2物質(zhì)傳輸（1）

24、流體的微觀和宏觀接口從原理上講，液體作為傳輸?shù)奈镔|(zhì)，本身不能與傳輸系統(tǒng)相互影響，若有化學(xué)反應(yīng)吸收或釋放時(shí)，才與傳輸系統(tǒng)發(fā)生相互影響。（2）流體微元件,MEMS資訊網(wǎng)（）,,,,2.3.1多元線性回歸當(dāng)被測(cè)物理量與影響因素之間呈現(xiàn)線形關(guān)系，或者可以轉(zhuǎn)換成線形關(guān)系，則可應(yīng)用多元線性回歸理論分析。其數(shù)學(xué)模型：=bo+b1x1+b2X2+……+bpxp（2—1）式中：可確定的物理量；Xi第i次影響因素；Bi未知參數(shù)。假設(shè)n次隨機(jī)樣本為xi1，xi2，……xip，yi（i=1，2，……n），根據(jù)最小二乘法，得到:Q=,2.3．微傳感器布陣設(shè)計(jì)方法,MEMS資訊網(wǎng)（）,選擇未知參數(shù)bo，b1……，bp，使

25、得Q獲得最小值，通過(guò)求偏導(dǎo)數(shù)，獲得方程組j=1，2，……p上式中xij為第j次影響因素的第i次觀察值。現(xiàn)用矩陣表示（2-4）于是得到(2-5）,,,MEMS資訊網(wǎng)（）,其中矩陣B是未知參數(shù)的矩陣。為確定未知參數(shù)，這里應(yīng)用逐步線性回歸方法。逐步線性回歸的基本思想是將因子一個(gè)個(gè)地引入回歸方程，引入的條件是該因子的偏回歸平方和經(jīng)檢驗(yàn)是顯著的。同時(shí)，每引入一個(gè)因子，要對(duì)老因子逐個(gè)檢驗(yàn)，將偏回歸平方和變?yōu)椴伙@著的因子剔出。2.3.2多元非線性回歸當(dāng)被測(cè)物理量與影響因素之間的關(guān)系是非線性而函數(shù)關(guān)系是已知時(shí)，函數(shù)中的系數(shù)是未知的,此時(shí)用多元線性回歸是無(wú)法解決的,而非線回歸分析卻可以解決上述問(wèn)題。這里探求多元

26、非線性的數(shù)學(xué)模型和最小二乘法的準(zhǔn)則,以及阻尼最小二乘法（又稱Levenberg-Marquaratalgorithm）,MEMS資訊網(wǎng)（）,（2－12）,從觀察值可得到：,是獨(dú)立的,根據(jù)最小二乘法，選擇的估計(jì)值，以使剩余值Q的平方和是最小的。2.3.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如何正確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用最小的次數(shù)，獲得最好的結(jié)果。這需要對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析，通常采用兩種方法，一種是直觀分析法或稱極差分析法，另一種是方差分析法。,MEMS資訊網(wǎng)（）,第二章思考題,MEMS的設(shè)計(jì)涉及那些學(xué)科？簡(jiǎn)述MEMS的設(shè)計(jì)方法及特點(diǎn)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常有幾種方法？其主要思路是什么？試舉例說(shuō)明。什么是接口設(shè)計(jì)？接口設(shè)計(jì)包含那些方面？微傳感器布陣設(shè)計(jì)方法主要思路是什么？如何應(yīng)用回歸理論和正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行陣列布陣設(shè)計(jì)？在MEMS產(chǎn)品中如何應(yīng)用尺度效應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)？其根據(jù)是什么？對(duì)于一階尺度，如表面—體積尺度變化規(guī)律是什么？什么是微觀力學(xué)？其基本假設(shè)是什么？簡(jiǎn)述如何應(yīng)用ANASYS和NASTRAN程序進(jìn)行變形分析MEMS中如何應(yīng)用CAD技術(shù)。,