基于节点分析法的复杂MEMS系统级仿真研究

系统级仿真在MEMS产品的设计开发过程中具有重要作用。本文在概要介绍两种统一环境下MEMS系统级仿真建模方法,即模拟/混合信号硬件描述语言（VHDL-AMS、Verilog-A等）表述法和等效电路法的基础上,借鉴MEMS结构化设计即节点分析的思想,提出了一种有别于常规信号流类比方法,适于复杂MEMS系统快速仿真的等效电路建模思路与方法,并结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对其进行了具体介绍和验证。最后,对VHDL-AMS语言描述法与本文所提出的等效电路法各自的应用原理、特点等进行了比较和总结。     

基于等效电路法的微加速度计系统建模研究

讨论一类硅微闭环电容式加速度计系统级动态模型的建模过程与方法.MEMS（micro-electro-mechanical system）快速有效的系统级模拟依赖于准确简洁的器件宏模型的建立.文中首先针对一种基本机电换能器件进行研究,利用二元函数的Taylor公式,建立器件偏置点附近增量信号间的线性关系,进而建立可用等效电路形式描述的器件宏模型.以此为基础,分别探讨传感器中检测和加力两类差动电容模型的建立方法及其与外部环境的联接,得到可利用电路模拟软件进行分析的系统级等效电路.通过仿真实例验证模型的正确性,并简要讨论系统的主要动态特性.这些工作为进一步的系统仿真和全局优化提供可靠的模型基础.     

基于异构宏模型的MEMS系统级建模方法

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将基于解析法和基于数值计算的宏建模方法结合起来提取复杂器件的参数化宏模型,在此基础上实现MEMS系统级仿真。以z轴加速度计为例,在Saber中进行其系统级的时域、频域仿真,将仿真结果与有限元分析进行了比较,其仿真时间小于3min,相对误差小于3%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级仿真。     

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(MEMS)的仿真和模型分析

微机电系统 (MEMS)器件及系统仿真正日益受到MEMS研究者的重视。其仿真内容涉及力学、电子学、热学、光学、流体学等许多学科。MEMS和其他微系统可看作为一个多域物理系统。本文从方法学观点讨论了建模方法、计算机辅助模拟工具、多域模型库以及不同仿真器的耦合问题。将电网络概念引入到不同域系统仿真中以及等效电路被应用到不同的物理域系统。对于系统模拟和仿真来说,元件模型库的建立非常重要,引入多端口元件,并用线性和非线性微分方程加以描述。另外,本文也简单分析了系统仿真中涉及的降阶问题、模型优化方法以及相关的仿真工具和仿真器间的耦合问题。     

MEMS器件建模与仿真分析方法研究

基于主振型叠加法和拉格朗日动力学方程,建立微机电系统多场耦合分析的宏模型。这一模型是由常微分方程组成的有限自由度系统,自由度较少,系统状态方程简单,显著地减少计算时间,为micro-electro-mechanical systems（MEMS）设计提供一种有效而准确的分析工具。算例表明,文中所提方法用于MEMS器件建模仿真分析是有效的。     

应用集总参数的微机电系统等效电路建模方法研究

微机电系统(MEMS)的多物理域耦合的特性使得系统建模仿真极为困难.而利用唯象不可逆热力学的相关概念,能够将复杂的MEMS系统分解为多个子系统,并以统一的热力学共轭变量的方式描述各子系统组件模型.由广义Kirchhoffian网络理论,搭建MEMS系统级模型.基于集总参数方法的等效电路方法就是其中一种合适的组件模型表达方式.使用能量变分法建立机、电系统端口变量之间关系的基本方程,获得机械变量与电域变量的转换矩阵,从而建立等效电路模型.模型易于在电系统仿真器中使用,适合于工作平衡点处的小信号仿真.     

一种基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法

以多端口组件及其网络的研究作为理论基础,创建了专门针对MEMS的系统级建模方法———用单个组件 表示MEMS的各功能结构部件,组件的端口表征与部件有关的各种物理量,依据一定规则联结组件形成的网络表 征整个微系统。该方法采用常微分和代数方程描述组件的行为,混合信号硬件描述语言作为组件及其网络的建模 语言。以梁为例,阐述了如何建立其行为方程,以得到参数化、可供重用的组件模型。上述研究结合微加速度计的 系统级设计应用实例,表明该方法是实现MEMS系统级建模的有效手段,能针对MEMS固有的多能量域耦合行为 等进行快速建模与仿真。     

MEMS器件与电路共同仿真原型系统

为了预测MEMS器件与电路组成的完整MEMS系统的行为,建立了一个支持MEMS器件与电路共同仿真的原型系统。首先,根据MEMS系统级仿真与模拟电路仿真的共同特性,提出了MEMS器件与电路共同仿真的原理和方法,并依托国产电路仿真平台Zeni VLG建立了共同仿真原型系统的框架结构;然后,分别根据修正节点分析方法和模拟电路行为级建模方法开发了该共同仿真原型系统所必需的两个参数化模型库。通过一个跷跷板式微加速度计分别与其开环电路和闭环带载波电路的共同仿真对原型系统和模型库进行了测试,与国外商业软件Saber对比,开环仿真结果相对误差为2.1%,表明提出的原型系统能够有效进行MEMS器件与电路共同仿真,并且具有较高的精度。     

基于多粒度宏建模的MEMS非标结构设计方法

随着微电子机械系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)应用的广泛化与需求的多样化,现有由参数化单元库内的结构组合的设计方法已难以满足非标设计需求.为此,给出一种支持非标结构设计的多粒度宏模型的映射提取与等效近似方法.在多粒度宏建模的MEMS设计层次和流程中,通过MEMS器件的完备有限元模型的节点关联与组合,映射提取描述系统的整体矩阵,获得系统的基于低阶常微分方程组的精确模型.按列一维方式变带宽存储大型稀疏对称矩阵,由拉格朗日多项式拟合和广义极小剩余获取等效近似模型,建立非标结构的系统级保真输入输出关系,连接器件级模型和系统级模型,不断迭代实现产品设计.以ACIS为几何造型内核开发自主原型系统,以数字光处理微镜为例进行验证,结果表明,该方法将局限于单元库内简单器件的设计拓展到支持复杂奇异非标结构的设计,这对于提高MEMS设计质量和效率具有重要意义.     

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.     

微机电系统集成设计方法与实现技术

针对微机电系统设计所存在的多学科交叉、周期长等问题，提出自顶向下设计与自底向上修正的双向微机电系统集成设计方法，将设计流程分为系统级、器件级和工艺级三个阶层；以微惯性器件为典型对象研究了各阶层的关键实现技术，并在此基础上构建微机电系统集成设计平台；所进行的硅微加速度计设计实例说明平台的设计流程可行，同时平台所具有的系统级、器件级和工艺级的多设计入口以及各阶层的全参数化驱动设计功能可提高微机电系统设计的效率。     

The Applications of Flexible Manufacturing Technologies in Business Process Reengineering

Through radical redesign of business processes and systems, policies, and organizational structures, the business process reengineering (BPR) effort was initiated in the manufacturing industry to seek performance breakthroughs. This paper describes a novel approach to the BPR, which applies flexible manufacturing systems (FMSs) design and analysis technologies, such as simulation, multicriteria decision support, and artificial intelligence (AI). These technologies are integrated to design and analyze specific FMS models related to the proposed technical and managerial changes in an industrial case. First, the literature is reviewed to obtain an understanding of the BPR concept and the role of FMS design and analysis in BPR. Second, a decision-making support system is developed to illustrate how the FMS design and analysis would affect BPR. Finally, a summary of the integrated approach practice in industry and conclusions are presented. The paper shows that the key to a successful BPR approach is the identification and analysis of specific proposed models. It also demonstrates that the integrated approach enables engineers to improve the efficiency of BPR.     

Resonant frequency characterization of MEMS based energy harvesters by harmonic sampling analysis method

This paper presents a new and accurate experimental method based on harmonic distortion analysis to determine the resonant frequency of MEMS devices to be used as energy scavengers or more generally in widespread MEMS-based applications. This technique uses the mechanical–electrical analogy of MEMS variable capacitor acting as a low-pass filter to give access to both resonant frequency and damping factor of the mechanical system through the determination of the filter parameters as the cut-off frequency. Resonant frequencies ranging from 0.8 kHz to 5 kHz of electrostatic actuated MEMS-based harvesters have been measured by this technique with an uncertainty as low as a few parts in 10³ in a good agreement with measurements carried out by using Deep Level Transient Spectroscopy system.     

Simulation of Thermal Processes in Turning

Russian Engineering Research - The thermal processes in turning are investigated by electrical analogy. An equivalent electric circuit is proposed for the system consisting of the workpiece,...     

螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论研究

在机械振动系统中采用螺旋飞轮运动转换系统,可以降低系统总质量,并获得良好的振动特性。为了推广螺旋飞轮的应用,降低集成设计的复杂性,通过对螺旋飞轮进行动力学分析,将其动力学特性进行封装。在传统力—电流机电比拟理论的基础上,提出一种新的无并联接地约束的电容元件来比拟螺旋飞轮,一方面解决了螺旋飞轮的比拟对象问题,另一方面完善了传统的机电比拟理论。应用电路网络的方法来研究机械振动网络的设计问题,给出基于螺旋飞轮机电比拟的机械振动系统的设计步骤。按照所提出的设计理论,在一个单自由度隔振系统实例中设计应用螺旋飞轮,实现传统振动元件无法实现的新型机械网络和隔振效果。结果表明所提出理论方法的有效性,为在机械振动系统中集成设计螺旋飞轮运动转换系统奠定了理论基础。     

Compact optical fiber sensor smart node

We present a new optical fiber sensor interrogator specifically designed for an embedded instrumentation system. The proposed system consists of a super luminescent diode as a broadband source, a high speed tunable micro-electro-mechanical system (MEMS) filter, photodetector, and an integrated microprocessor for data aggregation, processing, and communication. The entire system is integrated together in a compact package to create a fiber "smart" sensor. The system is capable of interrogating a variety of multiplexed fiber sensors, processing the data, and communicating the results digitally. As an example, the system has been calibrated with an array of fiber Bragg grating sensors.