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[硕士论文] 苏玉鑫
动力工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的发展,微电子机械系统等微型原器件得到了广泛应用,对微型原器件的设计和制造提出了更高的要求,进一步研究微电子机械系统的内部液体流动机理、伴随的传热机理非常具有学术价值。但是微型电子机械系统内部尺度一般处于介观尺度,基于连续介质力学力学宏观数值模拟方法不能准确处理该尺度的问题,而分子动力学等微观方法的计算规模又很难达到这一计算尺度。能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)是一种粗粒化的分子动力学方法,不仅可以研究介观尺度下的复杂流体行为,还可以计算复杂的传热问题,是研究介观尺度下伴随热量传递的复杂流体行为一种理想方法。
  本文系统地阐述了能量守恒耗散粒子动力学方法,指出了该方法的主要特点,分析了其在处理复杂流体行为时的优势。本文的主要研究内容包括:
  (1)采用eDPD对通道内流体绕流方形柱体阵列的流场和温度场进行研究,分析不同雷诺数下流场和温度场的分布特点。研究表明:当雷诺数增大时,柱体周围流体温度变化增大,对流换热现象明显。随着雷诺数增大流体流过柱体时出现了不同程度的漩涡,在漩涡区流速降低,对流换热速度减弱,出现了局部温度峰值。
  (2)采用eDPD模拟介观尺度微通道泊肃叶流中高分子的运动特性,研究表明可以将高分子溶液看作幂律流体,随着高分子浓度增大幂律指数减小,高分子溶液越偏离牛顿流体特性。同一高分子浓度不同温度时幂律指数基本不变。本文进一步分析了不同高分子浓度、温度以及不同驱动力下通道内流体的速度分布、应力分布、温度分布、高分子链质心分布以及高分子链瞬时位置。结果表明:高分子链远离壁面分布,不同温度的高分子链与周围流体的温度差最终会导致其分布位置在浮升力作用下有所变化,随着通道内驱动力增大浮升力的影响逐渐减小;在通道中由于速度分布不均匀,速度快的地方温度分布变化明显,对流换热现象明显;温度和高分子链的浓度变化对剪切应力分布影响不大,对流动方向的正应力影响较大。
[硕士论文] 陈大明
材料工程 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:BF玻璃具有良好的耐热性能、光学性能、化学稳定性以及力学性能,在 MEMS器件制造和封装领域常作为基体材料与半导体、金属等材料进行连接以实现对微传感器、微流泵等器件的封装工艺。阳极键合是实现玻璃与上述几种材料连接最常用的技术,本文利用阳极键合技术,通过电场反转实现了Si-glass-Si、Al-glass-Al、Al-glass-Si的连接;通过钎料在大气低温下实现了glass-Ni的连接,研究了工艺参数对界面结构和力学性能的影响,研究发现:
  (1)利用阳极键合工艺,通过一次电场反转可实现Si-glass-Si的连接,Si(1)-glass键合过程中,由于 Na+在玻璃表面析出,导致连接界面附近的玻璃体内形成Na+耗尽层,Na+耗尽层中存在“高场强”和“低场强”两个不同的空间区域。受第一个键合界面的影响,Si(2)-glass界面键合过程中出现两个峰值电流。
  (2)利用阳极键合技术制备了 Al-glass-Al和 Al-glass-Si试样。由于Al3+扩散至Na+耗尽层,第二个界面键合电流并未出现两个峰值电流。反向电场会降低Al(1)-glass界面键合率,但不会破坏其界面。Al-glass-Al界面强度高于Al-glass-Si界面强度,且断裂均沿第二次键合界面发生。
  (3)首次利用Al箔作过渡层,在大气中实现了glass与Ni的低温钎焊连接,典型的界面结构为:glass/Al/Al8ZnSn4+solder/Ni3Sn2/Ni。拉伸试验结果表明,断裂发生在玻璃处,说明界面结合良好,界面强度超过母材的强度。
[硕士论文] 张言
机械工程 湘潭大学 2017(学位年度)
摘要:随着微机电系统(MEMS)在各个领域中的研究和应用日益加深,以黏着、摩擦和磨损为代表的摩擦学问题成为了制约MEMS发展的瓶颈。对MEMS微型构件进行表面改性和润滑是降低黏着,并减小摩擦、磨损,从而改善MEMS摩擦学性能的有效方法,具有重要的学术和工程价值。
  根据自组装分子薄膜(SAMs)原理和不同组装分子的结构、反应特性,设计了以单晶硅(Si)为基底,以N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(DA)分子为基底连接层,以月桂酰氯(LA)分子为中间强化层的硅烷基双层SAMs(DA-LA);从化学反应和热力学角度对DA-LA的组装反应过程进行了分析和计算,揭示了组装反应自发性机理;利用分子动力学模拟技术建立了硅烷基SAMs体系的优化模型,通过模拟计算直观的得到了组装过程中的能量及温度变化情况,为从分子水平探索成膜机理提供了新途径。
  基于上述机理研究,运用分子自组装技术成功地在Si基底上制备了硅烷基SAMs体系;利用原子力显微镜(AFM)考察了溶液浓度和组装时间对成膜质量的影响,得到制备硅烷基单、双层SAMs的最佳工艺参数。借助接触角测量仪和全反射傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)对最佳制备条件下的硅烷基SAMs体系的润湿性能和化学组分进行了表征。结果表明:随着分子薄膜的逐层组装,其表面的疏水性能和内部的键合稳定性逐渐增强。
  通过浸渍-提拉和喷覆两种不同的制膜方式,分别在硅烷基单、双层SAMs表面上引入1-十二烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(ILs)作为表面润滑层,制备了硅烷基自组装分子/离子液体复合薄膜体系,并对它们进行了表面形貌、润湿性能和化学组分的表征。实验结果表明,制膜方式和下层表面特性对复合薄膜的成膜状态影响较大,采用喷覆方式制备的硅烷基双层自组装分子/离子液体复合薄膜DA-LA-ILs呈现出均匀紧凑的离散膜状态,表现出良好的疏水性能,丰富了复合薄膜制备及表征研究的实验基础。
  采用AFM测试了硅烷基SAMs的黏着力和微观摩擦力,运用微摩擦磨损试验机和超景深显微镜考察了复合薄膜体系的宏观减摩、抗磨特性。从微观和宏观尺度上对比研究了复合薄膜体系的摩擦学性能,综合分析了基底连接层、中间强化层、表面润滑层对减小表面摩擦,延长耐磨时间的协同作用机理。结果表明,采用喷覆方式制备的DA-LA-ILs表面摩擦系数最低,并在实验时间1350s内未发生磨损现象,显示了优异的减摩、抗磨性能,能够作为有效的润滑薄膜,为自组装分子薄膜和离子液体在MEMS润滑领域的应用提供了理论依据和实验指导
[硕士论文] 冉煦
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:射频微机电系统(Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System)简称RF MEMS,它是微机电系统(MEMS)在射频领域的重要应用。由于其在汽车电子、电子通讯、医药医学、相控阵雷达等方面具有巨大的潜在市场以及广阔的发展前景,近年来RF MEMS技术成为研究的热点。
  RF MEMS开关是射频微机电系统的基础组成部分,而并联式电容RF MEMS开关又是其中一个重要分支,它具有隔离度高、插入损耗低,线性度高等优点;然而高驱动电压以及可靠性问题是制约RF MEMS开关发展的主要瓶颈,并且过高的驱动电压将引起电荷注入从而引起开关失效,然而驱动电压过低也会造成诸如梁膜塌陷等一系列可靠性问题,因此研究如何设计一款驱动电压较低的RF MEMS开关具有十分重要的意义。
  同时,并联式电容RF MEMS开关的down态LC串联谐振频率普遍较高,普通固支梁结构的开关谐振频率大于30GHz,这便限制了开关在K波段以下的应用,增加down态电容及电感能够降低开关的谐振频率。往往使用介电常数更高的绝缘介质层材料来增加down态电容,但是这将会引起严重的电荷注入问题,因此可以通过增加开关的等效电感来达到降低谐振频率的目的。通过改变梁的结构能够改变开关的等效电感,通常使用折叠梁结构来增加开关的等效电感值。
  本文旨在设计一款驱动电压小于20V,适用于Ku波段的并联式电容RF MEMS开关。通过对两种常见的并联式电容RF MEMS开关进行机电及电磁仿真设计,确定了这两种开关的最终结构以及材料和结构参数与开关下拉电压、插入损耗及隔离度之间的关系,并分析了两种结构的优缺点,进而提出了一种新的折叠梁结构并联式电容RF MEMS开关,使用COMSOL Multiphysics软件对该结构开关进行机电仿真,得到其最终驱动电压为18V,与前两种结构开关相比明显降低。使用HFSS软件对新折叠梁结构开关进行电磁仿真,其插入损耗在频率为12-18GHz范围内均小于0.105dB,同时由于折叠梁结构的引入增加了梁膜等效电感从而降低开关的down态LC串联谐振频率到12.5GHz,使得开关在12.5GHz时达到33.5dB的隔离度,并且在12-18GHz范围内,隔离度大于20.5dB,适用于Ku波段。
  最后,研究了分布式MEMS移相器的原理,并使用新折叠梁结构开关实现了简单的两位移相器。
[硕士论文] 汤俊
机械工程 湖南科技大学 2017(学位年度)
摘要:混合驱动机电一体化系统是一种半柔性系统。它采用两种不同类型的电机驱动,即普通的常速电机和伺服电机,通过混合驱动机构进行耦合,由终端执行器实现半柔性输出运动。混合驱动系统介于传统的刚性机器和现代化的全柔性机器之间,它弥补了传统刚性机器柔性不足和全柔性机器造价昂贵的特点。因此对这类半柔性机器进行研究具有重要的理论意义和应用价值。混合驱动系统到目前经历了二十多年的发展,在其构型及运动规律的分析和综合上已有大量的学者进行了研究。由于常速电机速度波动且不可控的问题,目前在对混合驱动系统的控制上的研究并不多。本文首先探讨了满足混合驱动的五杆机构构型、可动性、及其工作空间分析;设计了一个双曲柄五杆机构,并且建立了机构的三维模型,为后面的控制系统仿真分析提供了结构参数。
  本研究主要内容包括:⑴正运动学分析及逆运动学分析是研究五杆机构动力学及控制系统的理论基础。本文用封闭矢量法建立了五杆机构的运动学模型,分析了终端轨迹与各个杆件之间的运动关系。利用拉格朗日方程推导出五杆机构的动力学模型,并且写成类似于开链机械手动力学方程的形式,便于控制器的设计和控制参数的选择;简单分析了电机的动力学模型,与五杆机构的动力学模型结合,建立了完整的混合驱动机电一体化系统的模型,为实现其控制打下了基础。⑵轨迹跟踪精度和轮廓跟踪精度是衡量混合驱动系统控制器的重要指标。以往针对混合驱动系统开发的控制器都没有彻底解决常速电机不可控的问题。本文首次采用自适应比例微分滑模控制,通过补偿常速电机的速度波动,从而提升终端执行器的轨迹性能,并且对控制器进行了稳定性分析。选用了直线轨迹和圆弧轨迹进行仿真分析,并与比例微分滑模控制和纯比例微分控制进行了对比,分析了不同控制参数对控制器性能的影响,及在初始误差情况下的控制性能,验证了自适应比例微分滑模控制具有优越的轨迹跟踪控制性能。⑶介绍了位置域控制的概念及优点,提出了位置域的自适应比例微分滑模控制,并应用于混合驱动系统的轮廓跟踪控制,这一控制器同样选用直线轮廓和圆弧轮廓进行仿真分析。结果表明位置域自适应比例微分滑模控制能极大的提升混合驱动系统的轮廓跟踪精度,并且控制器具有很好的鲁棒性和快速响应能力。
[硕士论文] 张广鑫
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:本论文研究的是一种基于微电子机械系统(MEMS)的载体辅助定位技术。作为一种重要的自主定位检测手段,自定位技术被广泛的应用于自动控制和检测系统之中。然而自定位系统不依赖于外部信息也不向外部辐射能量的特征,使其在无参照物位置实时修正状态下的定位精度并不理想;同时,自定位系统硬件的复杂结构导致其使用成本偏高而无法得到广泛应用。
  随着MEMS姿态传感器的不断发展,基于微机械姿态传感器的自定位技术具有设计结构简单、使用成本低等特点,因而受到广泛的关注。论文以微电子机械系统为研究基础,针对传统自定位技术精度低、使用成本高的问题,对MEMS自定位系统的定位算法以及硬件设计进行了深入的研究,并以此为基础研究了用于提高定位精度的修正算法。主要研究内容包括:
  1)阐述了自定位技术的基本原理和技术概况,探讨了基于姿态传感器的自定位技术的理论模型以及相关的矩阵方程和坐标变换算法,以此为基础建立了基于MEMS姿态传感器的自定位数学模型。
  2)分析了自定位系统的误差来源,以此为基础研究了用于提高定位精度的数据修正算法,包括卡尔曼滤波器使用、加速度修正算法、速度位移重建等。
  3)确立了基于姿态传感器的载体辅助定位系统的硬件实验平台设计方案。选用Bosch公司出品的BMX055姿态传感器作为硬件平台的核心部件;对传感器信号采集、数据传输电路做了整体设计,详述了电路原理图。
  4)设计了基于硬件实验平台的自定位技术实验方法,展示了实验过程。对传感器输出信号进行了数据采集与处理,使用MATLAB做了自定位模型算法、定位修正算法的软件实现。展示了部分实验数据并对实验结果做了分析和总结。
[硕士论文] 孙晓勇
力学 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:以微型化为基本特征的微电子机械系统,对比传统机械系统,尺寸更加微小,总体尺寸不会超过一个厘米,甚至仅仅处于微米量级,而它们的厚度甚至以纳米计。长度尺寸如此明显的微小化特征,使得表征组成微机电系统的微器件的物理量和机械量等在微观尺寸相比传统机械呈现完全不同的特征,被称为尺寸效应。尺寸效应使得广为应用的宏观力学研究结果无法直接适用于微观的场合。现有的对于尺寸效应的认识表明,宏观尺寸与微观尺寸导致力学性能不同的原因主要是均匀介质与连续介质的假设。经典的弹性力学认为,物体是连续的均匀的。普遍的认为,该假设对宏观尺寸的物体来说是足够准确的,但是当器件的大小处于材料本征尺寸量级时,这个假设会与真实情况有所偏差。广义弹性力学在维持连续性假设和均匀性假设的基础上,能够解释微结构的尺度效应。论文的主要研究工作如下:
  ①从几何描述、守恒方程、本构关系等方面阐述了广义弹性理论区别于经典弹性理论的地方,并建立了广义弹性力学理论有限元方程,用Matlab进行编程计算求解。
  ②以ANSYS有限元软件计算结果代表经典弹性理论,与广义弹性力学由Matlab进行的有限元理论编程所得结果进行比较,在宏观尺寸,广义弹性力学Matlab程序与经典结果几乎一致,在微观尺寸两者有所差异,体现了微小模型的尺寸效应。
  ③以单圆孔平板单轴拉伸为例,比较了宏观尺寸经典弹性理论计算结果与广义弹性理论计算结果,展示了经典弹性理论中没有的转角、曲率、偶应力等在含孔平板单轴拉伸工况下的分布。提取了宏观到微观尺寸中心圆孔顶端节点应力集中因子与偶应力大小,用以表现结构的尺寸效应。
  ④单圆孔平板拉伸中取1mm孔半径代表宏观尺寸,取10μm孔半径代表微观尺寸,选取含孔平板中轴线上各节点计算结果,比较了宏观与微观尺寸应力集中因子与偶应力大小沿中轴线的变化,进一步对孔口问题的尺寸效应现象做了解读。
  ⑤定义了应力对称度,用来说明应力张量是非对称的。选取了沿圆孔边缘的各个节点计算结果,分别计算其应力对称度,宏观尺寸下应力对称度保持在百分百,而在微观尺寸下,圆孔边缘某些节点应力对称度不为百分百。以其中的某一节点为例详细介绍了应力对称度的尺寸效应,说明了宏观尺寸下,广义弹性理论中应力可以近似为对称的,而微观尺寸下,总应力中反对称部分占比例增大,应力不再保持为对称性。
  ⑥对中心椭圆孔平板单轴拉伸应力集中因子进行了计算,与中心圆孔计算结果比较,得到构件截面尺寸改变的越剧烈,相应的造成的应力集中就越严重的结论,并比较了两种情况下偶应力的大小,得到了构件截面变化越剧烈则偶应力值也越大的结论。
  ⑦以双孔板结构为例,探讨了孔与孔之间在结构上的影响。比较了宏观尺寸下不同孔边距的应力集中因子,发现无论是经典弹性力学还是广义弹性力学,双孔的应力集中因子都比单孔时有所增大,并且随着孔边距的减小,应力集中效应增大。同时,随着双孔孔边距的进一步减小,二者差异增大,广义弹性力学应力集中并不能达到如经典弹性力学考虑的那么高的值。
  ⑧在微观尺寸下,双孔单轴拉伸的应力集中仍然存在尺寸效应,随着结构尺寸由厘米向微米渐变,应力集中程度降低,偶应力大小增大,与单孔时所得结论一致。
  ⑨讨论了双椭圆孔平板单轴拉伸问题,得出双椭圆孔平板单轴拉伸孔边应力集中因子数值比双圆孔平板更大,应力集中程度更严重,而偶应力大小相对于双圆孔情况也更大。双椭圆孔应力集中与偶应力大小随尺寸变化而变化的趋势与双圆孔情形下相同。
[硕士论文] 秦立振
机械电子工程 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:随着当今信息技术的高速发展,信息资源的不断融合,电子产品设计制造成本的不断降低,使得其更新速度和更新空间不断增大。目前这些产品趋向于微型化、集成化、无线化和便携化,但是在供电问题目前可靠的解决方案仍是传统电池,有效电源以及微电池。随着人们对环境保护,人机工程,以及效率成本重视程度的不断提高,这些供电方式存在的固有局限也逐渐地暴露出来,因此能量采集技术受到人们越来越多的关注。
  本文研究抗磁悬浮微型振动能量采集器的宽频响应特性。首先介绍了其结构模型和工作原理,其次对系统内部受力进行理论分析。利用有限元软件COMSOL Multiphysics对磁力和抗磁力进行仿真并通过数值分析的方法计算出其平衡位置,发现了单稳态和双稳态现象,通过实验予以验证,并分析了结构参数的变化对平衡位置的影响。
  其次,从理论和仿真两个方面对抗磁悬浮振动能量采集器的感应电压进行分析和计算,并就线圈不同的参数对输出电压和功率的影响进行了仿真分析,从功率最大的角度确定了线圈的结构参数。
  接着,在理论分析电磁阻尼力的基础上,通过响应面法将永磁体的磁场进行拟合分析,进而求出电磁力的解析式。从能量转化最大角度,确定线圈以反向反接的方式进行设置;将永磁体在能量采集器内部振动受到的空气阻力近似为一次函数,求出空气阻力的解析式。
  最后,建立系统的动力学方程,将动力学方程等效为含有高次交叉项的Duffing—van der Pol方程,通过分析影响方程中各个参数的外界条件,进而分析了采集器在开路和工作状态时,不同的稳态下,永磁体的动力学响应特性和能量输出特性。
[硕士论文] 敦勃文
工程力学 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:近些年来,微机电系统(MEMS)领域得到了快速发展,在对结构件精度提出更高要求的基础上,精密微模具的加工成为了关键的问题。现有的微模具加工方法均存在一定局限性。寻找一种成本低的加工方法制作出强度高、精度高的微模具具有十分重要的工程意义。金属玻璃,不仅具有优异的强度、硬度、耐磨损等力学性能,当温度升高至其过冷液相区时,又可以像高分子材料一样成型各种复杂的图形。由于缺少了传统晶态金属内部晶界结构特点的限制,对金属玻璃进行微热压印成型实验,可以在原子级别上精确复制模具上的结构化图案。降低温度,金属玻璃既可以保持这些被复制上的图案,又可以恢复原有优异的力学、物理以及化学性能。大部分金属玻璃的玻璃化转变温度都高于常用工程高分子材料的熔融温度,这使得金属玻璃可以作为模具应用于微成形领域。本文主要针对微米级金属玻璃模具结构强度及疲劳性能,开展以下几方面研究:
  (1)对 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(Vitreloy1,简称 Vit-1)大块金属玻璃进行切割,制备出不同尺寸的块状金属玻璃样品。利用自行设计的抛光装置抛光圆片状样品。通过原子力显微镜对抛光后的样品表面进行粗糙度测定。X射线衍射验证切割抛光后的金属玻璃样品仍然处于非晶状态。利用DSC测定出该金属玻璃的玻璃化转变温度及过冷液相区,为后续热压实验温度的设定提供参考。利用 ICP体硅加工工艺,获得表面具有特定微结构的硅模具。对圆片状金属玻璃样品进行微热压印成型实验,获得单轴静态压缩和压-压疲劳实验所需微圆柱样品,通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对微圆柱形貌进行表征。
  (2)取一部分微圆柱样品进行退火处理。利用X射线衍射对退火前后的样品进行表征,并进行单轴静态压缩实验,比较微圆柱样品退火前后的力学性能。利用扫描电子显微镜对静态压缩失效的样品进行形貌表征并分析其静态压缩断裂失效机理。
  (3)利用疲劳试验机分别对退火前后的微圆柱样品进行单轴压-压疲劳实验。取107次循环寿命为无限寿命。将实验获得的应力-寿命数据点拟合得到S-N曲线,比较退火前后样品的压-压疲劳性能。通过扫描电子显微镜对失效样品的整体及断裂表面形貌进行观测,并分析样品在循环载荷作用下失效的机理。
  (4)利用抛光机对不同尺寸的大块金属玻璃板材进行金相抛光,通过微热压印成型实验复制硅模具上不同形状的微流控芯片图形。在得到的金属玻璃微模具上利用热压成型工艺加工PMMA微流控芯片成品。再利用有限元模拟软件COMSOL,以实验获得的疲劳寿命 S-N曲线作为失效判据,预测微模具结晶前后在高分子材料热压成型过程中的使用寿命。并对金属玻璃微模具在金属板材冷压过程中的应用进行展望,预测其结构强度及疲劳寿命。
[博士论文] 白诚
机械工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:静电扭转微镜是典型的微光机电系统,凭借其体积小、重量轻、低成本、低功耗、结构简单、便于大规模集成等特点,在光通信、投影显示、微光学平台、生物医学和激光雷达等领域正发挥着越来越重要的作用。然而,微镜系统开环响应中存在明显的残余振动,微尺度薄膜气体中以压膜现象为主的气体阻尼效应,多能量场耦合引起的非线性特性以及MEMS器件制造工艺中带来的参数不确定性等问题,使得微镜系统具有响应速度慢、扭转角度小、灵敏度分辨率低、鲁棒性能差等缺陷和不足,均已成为制约其进一步拓展应用范围的关键问题。为此,本文从气体阻尼的分析计算、残余振动的主动抑制、吸合限制的稳定扩展及参数不定系统的鲁棒控制方面,研究了MEMS微镜的建模分析与控制,主要工作及取得的成果如下:
  由于微结构的微尺度特点,气体阻尼对MEMS器件的动态性能影响显著,采用有限元法数值分析MEMS器件的气体阻尼,迭代运算耗时耗力,且不便于开展控制系统的研究。针对气膜阻尼的解析计算,本文首先运用双正弦级数方法求解了零边界条件下支配气体运动的雷诺方程,得到了压膜阻尼系数及弹性系数的解析模型,数值仿真表明了该模型在活动板边缘全开放式MEMS器件气膜阻尼计算时的准确性。然而,类似的简单边界条件方法忽略了边界效应对压膜阻尼带来的影响,当气体泄流间隙较小,或者当器件边墙、万向节框等结构影响气体流动通道时,边界效应对气膜阻尼的影响是不容忽视的。考虑复杂结构MEMS器件中边界效应对压膜阻尼的影响,本文将问题抽象为非齐次边界条件下二阶偏微分方程的求解,采用格林函数(Green’s function)求解了非零边界条件下的线性化雷诺方程,结合分析得到的气体流动边界压强条件,提出了考虑边界效应的压膜阻尼模型。在无需进行计算流体动力学(CFD)软件多能量场耦合分析的情况下,使得压膜阻尼模型的准确率分别提高了22.29%和21.37%。提出的模型进一步揭示了边界效应在阻尼力和弹性力中的影响作用以及边界效应与微镜结构之间存在的关系,仿真分析表明微镜板周边气体的泄流缝隙对压膜阻尼影响显著,泄流缝隙越小,边界效应影响越大。
  为了提高静电扭转MEMS微镜的驱动效率,微镜通常被设计工作于欠阻尼状态,这种欠阻尼二阶系统的动态响应中往往伴有明显的残余振动,残余振动的存在造成了系统调整时间的延长和有效带宽的降低。如何抑制多余的残余振动从而获得迅速准确的状态切换和开关定位是这一领域一个重要的研究课题。整形控制技术( Shaping techniques)是机械系统中抑制残余振动的一种有效手段。静电扭转MEMS微镜中存在的非线性问题是制约传统的基于线性理论的整形控制技术(Shaping techniques)应用于此的主要障碍。本文基于静电扭转微镜的静态响应和动态响应分析,提出了一种考虑了气体阻尼效应及其非线性特性的多步整形(Multistep-shaping control)主动控制方法。相比其它控制方法,在无需额外的角度传感器和执行器部件的情况下,同样可以获得良好的控制效果。仿真结果表明,在不改变系统结构的情况下,这种预整形控制技术分别将微镜响应残余振动的最大幅值分别降低了31.97%和70.63%,同时,调节时间分别缩短了56.2%和74.8%。
  静电驱动式 MEMS器件中固有的吸合效应(Pull-in)极大地限制了微镜的扭转角度范围。闭环控制技术是克服吸合现象(Pull-in)的有效途径,本文在分析非线性比例—微分控制(Nonlinear proportional-derivative,NPD)中参数不确定影响的基础上,提出了一种新的组合闭环反馈控制方案。该方法将非线性比例—微分控制与滑模控制(Sliding mode control,SMC)相结合,不仅继承了非线性PD控制良好的动态性能,同时还通过滑模控制进一步提高了MEMS微镜系统的鲁棒性。此外,这种方法还便于进行控制器设计增益的调整,能够获得更快的误差收敛速度。数值仿真结果表明,这种组合控制方法在不改变器件结构、不提高驱动电压的情况下,分别将微镜的扭转角度增加了46.7%和33.3%,将微镜的稳定时间降低了52.5%和40.5%,与此同时,对于高达50%的参数不确定性也具有良好的鲁棒性能表现。
  考虑边界效应的MEMS微镜器件气体阻尼模型的提出,主动抑制抖动的非线性系统输入整形技术的改进,克服吸合限制且具有高鲁棒性的闭环控制系统的研究工作共同为下一代高性能数字微镜的研制提供了系统的理论依据。
[硕士论文] 杨守期
机械电子工程 三峡大学 2016(学位年度)
摘要:变质量俯仰系统随运动状态和载荷质量的变化,其俯仰角位移、俯仰体质心位置、驱动转矩等因素随之变化。为设计其自适应控制策略,提出了俯仰机构驱动电机的分区间PID控制算法。以位置随动精度和随动时间为目标,根据俯仰角速度反馈,设计了三区间PID控制算法。
  在进行俯仰控制系统设计时,在ADAMS软件中建立动力学模型,该动力学模型与实际模型相匹配。根据功能需求和驱动方式,确定电机选型,搭建变质量俯仰系统的单机驱动方式、双机驱动方式的仿真模型。
  对控制策略的设计,主要通过ADAMS与Simulink联合仿真实现。主要过程为,首先在Simulink软件中根据所选电机参数完成永磁同步电机模型搭建和三环控制系统各个控制器参数的设计。再通过ADAMS与Simulink联合仿真不断调整和优化参数。最后通过对比不同的驱动方式和控制算法,比较其控制性能。
  分区间变PID控制算法是在经典PID算法的基础上,由工程实践中提升和优化。分区间变PID算法对变质量俯仰系统控制精度、跟随特性和抗干扰能力等方面较PID控制算法具有一定的优越性。同时在实物模型上的实验结果,验证了仿真的准确性和整套思路的切实可行。
  在研究变质量俯仰系统在虚拟样机仿真技术的基础上,以某型某型装置虚拟样机为研究对象,通过不同的驱动方式,不同的控制策略研究,以提高传动系统的位置控制快速性和准确性及减小转速波动为主要目标,最终确定一套适用的控制策略,并通过在物理样机实验中验证控制策略的适用性、准确性。
[硕士论文] 余成昇
电路与系统 合肥工业大学 2016(学位年度)
摘要:随着MEMS器件不断朝着高集成度和低功耗等方向发展,对传统的封装方式提出了新的挑战。硅通孔技术是三维集成电路中,利用先进的封装工艺和设备条件,通过不同芯片之间实现堆叠以达到互连的一种新的技术解决方案,可以极大地减小芯片间互连引线长度、降低引线寄生效应、提高信号的传输速率以及实现最小化互连线的延迟和功耗,是一种应用于高密度3D封装的新型互连技术。本文结合自身在中国兵器集团第214所的实习工作经历,对硅通孔的制作与填充技术进行了较为深入、系统的研究,在大量实验的基础上,分别对通孔的刻蚀与沉积工艺参数进行调节、验证及改进。本论文的主要研究内容如下:
  (1)通过对不同工艺的原理进行分析与比较,确定了利用ICP刻蚀技术和LPCVD技术分别进行通孔的制作与填充,为后续实验的开展奠定了理论基础。
  (2)综合考虑了硅通孔刻蚀过程中的相关工艺参数对刻蚀结果产生的影响,并完善了高深宽比通孔刻蚀工艺参数,最终实现了上口尺寸14.41μm、下口尺寸8.83μm、深度331.0μm、深宽比大于20∶1的高深宽比通孔的制作,通孔侧壁光滑,为后续的通孔填充工艺做好了准备。
  (3)在大量实验的基础上,研究了多晶硅的沉积速率与沉积温度、反应压力以及硅烷流量之间的关系,确定了最佳沉积工艺参数,成功完成了通孔内多晶硅的无空洞沉积;对一定数量的通孔进行测试,其平均阻值为25Ω,测试结果表明,通孔互连的电学特性较好。
[硕士论文] 毕利锋
安全科学与工程 北京交通大学 2016(学位年度)
摘要:复杂机电系统作为现代生产系统的主流模式,其规模越来越庞大,逐步形成结构复杂、高度耦合的特点,并呈现出网络化的趋势。复杂机电系统的可靠性对生产行业的正常、高效运营以及国民经济的发展起着举足轻重的作用。但是目前对于复杂机电系统的可靠性评估还局限于利用传统的单一方法,不能满足其以结构网络化、状态多样化和相关失效为主要特点的系统可靠性评估需求。如何定量描述部件状态与系统可靠性之间的关系,以及部件之间的耦合依赖关系对复杂机电系统可靠性的研究将显得尤为重要。
  本文深入研究复杂机电系统的功能结构特点,结合日益完善的网络可靠性理论,提出一种基于网络模型的复杂机电系统可靠性评估方法。
  具体内容如下:
  1.研究流的类型和流结构下的部件功能特点,根据流的作用形式分别构建复杂机电系统同质流多态网络模型和耦合流多层网络模型;
  2.利用最小割集和贝叶斯方法研究节点状态和网络状态之间的逻辑关系,不同节点状态之间的相关(依赖)关系,结合部件的状态概率分布求解网络模型不同状态下的可靠度。
  3.利用构建的同质流、耦合流网络模型对CRHX型动车组牵引系统可靠性评估进行了应用分析。研究表明,基于网络的系统可靠性建模具有良好的系统抽象能力、功能相关建模能力以及较高的计算效率,为复杂机电系统的可靠性研究提供了新的参考方法。
[硕士论文] 陆春意
机械工程 苏州大学 2015(学位年度)
摘要:阳极键合技术是支撑微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)产业的关键技术之一,目前被广泛用于微压力传感器、微机械陀螺仪、微加速度计、微流泵等器件的封装。在阳极键合过程中,器件内部常常伴随着复杂的物理化学变化,电场和热场的分布差异会对器件的最终性能产生很大的影响。随着MEMS向着结构复杂化、尺寸微型化的方向发展,这种影响显得越来越突出。如何有效地控制阳极键合过程中的不良影响,提高器件性能,成了一个亟待解决的问题。键合电流作为阳极键合过程中离子迁移的宏观表现,反映了阳极键合的微观进程,对整个键合过程起着不可忽略的影响。因此,本文从控制键合电流的角度出发,通过分析键合电流的形成,研究键合电流的作用机理,建立工艺参数回归模型,寻求提高键合质量的工艺方法。
  本文首先对键合电流的形成机理进行理论分析,建立了键合电流的电学模型;通过对键合电流电学模型的分析,获得了电学参数对键合电流动态性能的影响规律。在此基础上进一步分析了键合参数对键合电流的影响,并通过实验进行了验证,为后续键合电流的选择和控制提供了基础。
  然后从理论上分析了键合电流对键合过程的作用机理;通过工艺实验,分别从键合电流峰值、衰减速度以及维持时间三个角度,分析了键合电流对键合强度的影响规律。
  最后,选择温度、电流峰值、衰减速度以及维持时间作为实验因素,键合强度为实验指标,开展正交实验;通过支持向量回归机分析正交实验数据,获得了基于电流控制的阳极键合工艺参数模型,并通过单因素实验分析了工艺参数模型的预测误差。
[硕士论文] 梁致祥
机械电子工程 广东工业大学 2015(学位年度)
摘要:目前,机电类特种设备在人们生活中的使用越来越多,发挥的作用也日益明显。但是由于机电类特种设备的特殊性,一旦出现事故,其损失往往是比较重大的。事故的原因往往与作业人员的专业知识不足,操作不规范有很大关系。这就暴露了在机电类特种设备培训方面存在着许多的不足。因此,通过构建特机电类种设备教育及事故应急预案演练系统,能够在虚拟环境中模拟机电类特种设备事故的应急演练,有利于提高对作业人员的培训效果,从而减少机电类特种设备操作过程中事故的发生。对于机电类特种设备的运动仿真,平移运动和旋转运动的仿真实现比较简单,难点和重点主要是空间轨迹运动仿真。论文的具体研究工作如下:
  (1)研究刚性物体沿着刚性空间轨道的运动轨迹。以过山车作为研究对象,探讨了过山车的几何建模及其运动仿真实现的方法。首先根据过山车立柱的坐标值,分段拟合出完整的支撑管中心线方程,再利用扫描命令绘制出轨道三维模型。最后,通过分段插值求出车辆在每个轨迹点处的位置值和角度值,并在此基础上实现了过山车的运动仿真。
  (2)研究刚性物体沿着柔性空间轨道的运动轨迹。以客运索道作为研究对象,探讨了吊篮的行为建模及其运动仿真实现的方法。钢丝绳的分段建模通过QuickRopes2插件来实现,钢丝绳的形变运动可以通过PhysX物理引擎添加物理属性来实现。吊篮的运动也可以通过PhysX物理引擎添加物理属性和建立运动轨迹方程来实现。
  (3)研究三维可视化仿真中的逻辑控制技术。为了合理地处理仿真中各个事件及状态之间的关系,对Unity脚本的逻辑控制原理进行了分析。以客运索道应急演练为案例,设计机电类特种设备应急演练仿真过程中各步骤和操作之间的逻辑关系,并利用脚本逻辑控制原理,实现仿真过程中的逻辑控制。
  (4)设计和开发机电类特种设备教育及事故应急预案演练系统。通过将项目资源导入虚拟仿真开发平台Unity后,使用Unity脚本开发过山车和客运索道的应急演练。介绍了应急演练仿真中的场景视图控制功能和交互功能的方法实现。
  
[硕士论文] 闫明辉
机械工程 河南理工大学 2015(学位年度)
摘要:玻璃上片台是一种应用于玻璃生产行业比较广泛的设备,在玻璃生产与加工工业中起着十分重要的作用,它是典型的机电一体化技术在实践中的应用。机电一体化是机械发展的必然趋势,机电一体化产品的开发一直是一个比较困难的过程,随着计算机技术的发展,计算机辅助设计提高了机电一体化产品优化与开发的效率。本文以玻璃上片台作为研究对象,利用计算机辅助设计技术对玻璃上片台存在的缺陷和问题进行优化,实现了对机电一体化产品的机电联合仿真。具体工作如下:
  1.通过现场观察与测量,得到玻璃上片台优化设计的基本数据,并通过SolidWorks软件对其进行虚拟建模,为后续研究提供了模型基础。
  2.对玻璃上片台最主要的机构—翻转机构进行简化,并利用MATLAB对其进行运动学分析,比较现有两种翻转机构的运动特性,选取更具有稳定性的双摇杆机构作为翻转组件的机构模型。
  3.以现场运动条件和运作要求作为约束,初步确定翻转机构的运动轨迹;利用刚体导引机构综合的方法对双摇杆机构的尺寸进行优化设计,确定了四杆机构的基本尺寸。以此作为设计基础,利用ADAMS对其进行运动分析,并以提高玻璃上片台翻转机构运动平稳性为目的,对控制方式进行优化,得出理想的控制方式。
  4.利用AMESim软件作为机电一体化仿真平台,对玻璃上片台进行系统建模,并以优化后的尺寸和控制方式对参数进行设置和仿真,对优化后的效果进行检验,得出在优化的机构和优化的控制策略下机构有更好的运动性能。
  研究表明,玻璃上片台利用双摇杆机构作为翻转机构的模型对上片台翻转运动的平稳性更有利,在理想控制方式的驱动下,由于现场安装误差、各部件连接误差以及能量传递损耗等原因仿真未能完全达到理想状态,但符合优化构想,需要进一步进行优化,以趋达到更理想的运动特性。AMESim作为机电联合仿真的工具具有十分广泛的意义,可以提高机电一体化产品开发的效率。应当进一步对优化中出现的问题进行研究以使优化结果更能满足实际工作要求。
[硕士论文] 陈玺
电子科学与技术;物理电子学 南京师范大学 2015(学位年度)
摘要:在对微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)结构的特性参数进行测量和MEMS可靠性进行测试的过程中,常要求对结构表面的三维形貌、粗糙度、微小的位移和变形等物理量做精密测量。目前,显微干涉法凭借其高精度、高垂直分辨率、测量简单快捷、无损等优点,已经成为这类测量中最常用的手段之一,包括相移干涉法、白光干涉法、外差法等等。其中,相移干涉法又拥有着极为重要的地位。用压电陶瓷(Piezoelectric Transducer,PZT)精确地确定待测样品的移动量通常是现有相移干涉技术能够实现三维形貌精确测量的基础,而高精度的PZT系统价格昂贵,无法实现广泛应用。如何利用MEMS加工过程中常见的仪器就可以方便实现具有足够精度的三维形貌测量是一项非常有意义的工作。
  由于通过氧化、刻蚀、淀积及溅射等技术加工的MEMS器件中通常存在许多平面(例如衬底),这些平面与理想平面非常接近,那么根据光的干涉理论可知,理想平面的干涉条纹是平行的直线簇,光强分布呈余弦规律,而且周期相同。正是基于这个特点,本文给出了一种采用快速傅立叶变换(fast Fourier transformation,FFT)来分析确定两幅干涉图中平面部分的相移量,然后利用这些获取的相移量来重构MEMS微结构表面三维形貌的方法。可见,该方法无需采用PZT来确定多幅干涉图之间的相移量,并且只需通过旋转显微镜的对焦微调旋钮就可以上下移动载物台拍摄多幅干涉图,进行MEMS微结构表面三维形貌重构。
  本文还研究了一种基于牺牲层技术的SU-8薄胶MEMS结构加工工艺,成功制作了SU-8胶悬臂梁测试结构,并采用本论文改进的显微相移干涉技术对该测试结构表面进行了三维形貌重构,验证了本论文改进方法的可行性和正确性。实验研究表明,该方法操作简单方便,非常适合MEMS微结构表面形貌测量。
[硕士论文] 程东方
微电子与固体电子学 华中科技大学 2015(学位年度)
摘要:随着微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)朝着高频、小尺寸方向的发展,传统驱动组件的原理与方法已经不适用于MEMS的实际条件,牵涉到微波或射频的应用场合通常还要求无线馈及,这就给高频驱动提出了新的要求。而超材料做为一种人工电磁材料,其表现出的奇特的物理现象与良好的可调控性,使得超材料在微波驱动方面具有很好的应用潜力。本文着重研究了两种类型超材料的电磁力(矩),即可应用于线性驱动系统的宽边耦合开口环超材料结构和可应用于旋转驱动系统的共轭十字形超材料结构。
  在宽边耦合开口环结构的研究中,计算了对应方向单面金属层的电磁力且均在谐振频点达到最大幅值,相比于平行金属板结构,其电磁力最大增幅为100倍;利用超材料的反演算法理论,分析结构的等效电磁参数,并从等效电路与电磁场的角度论述了两种工作模式的电磁力增强效应。对比整体结构,x、z方向双层金属在工作波段表现为排斥效应,合力几乎为0;而y方向双层金属则表现为叠加效应。研究了不同结构参数变化对单元电磁力的调控规律,结果表明较小的金属线宽与较高介电常数的介质基板,不仅可以较强的抑制x、z方向结构的净电磁力,还可以较大程度的增强y方向的叠加效应。
  在共轭十字形结构的研究中,分析了结构在1-10GHz频段两种模式对应的电磁力(矩)分布。在两种工作模式下,共轭十字形结构的能流主要集中于关于结构中心对称的两臂边缘,且能流方向相反,幅值相等。对比两种工作模式,研究表明电谐振的引入,z方向的电磁力矩可以得到有效增强。研究了不同结构参数(介质板厚度与金属间隙宽度)变化对单元电磁力矩的调控规律。结果表明,较大的金属间隙宽度和0.6mm左右厚度的介质板构成的共轭十字形结构,可以有效增大结构z方向的电磁力矩。
[硕士论文] 李秀鹏
机械电子工程 华中科技大学 2015(学位年度)
摘要:进入21世纪以来,中国已成为全球最大、最重要的SMT(Surface Mount Technology,表面贴装技术)市场。SMT产品与装备是半导体封装产业的关键环节,对应要求SMD(Surface Mounted Devices,表面安装器件)元件高效、稳定、准确的拾取、转移和放置。拾取头的作用便是拾取和放置SMD元器件。由于SMD元件种类繁多、尺寸多样,工艺中迫切需要具有良好适应性的拾取头。本文主要对SMD拾取头进行设计与优化,开发出了适用于SMD检测、转移系统的多适应性拾取头。通过结构设计、数值仿真计算和实验测试等研究,取得了以下成果:
  1)设计了创新的吸嘴组件,更大范围地适应多种尺寸的SMD元器件,避免了因SMD类型变化导致的频繁更换吸嘴的工作,提高了生产效率。
  2)仿真分析了吸嘴特征参数对拾取流场的影响,基于Fluent软件的仿真结果表明:在直径突变的地方添加倒角并不能对吸嘴外流场产生明显的影响;接通的通气孔数越多,压力分布越均匀,真空度越高,越有利于拾取SMD元器件;吸嘴通气孔的直径越大,吸嘴口部的压力分布越不均匀,但是吸嘴口部的真空度越高;吸嘴口部的凹槽越深,它的压力分布越均匀。
  3)实测验证了所设计方案和仿真结论,通过在安装新拾取头的SMD检测设备上进行实验,获得如下结论:拾取头的多适应性实验验证了拾取头设计的合理性;获得了进气压力和真空度的关系对应表,为以后检测设备是否漏气提供了数据支持;分析了拾取头拾取芯片的不同错误产生的原因,为以后设备故障的分析提供了相应地参数依据和技术支持。
  总之,本课题所设计适应性拾取头结构和分析结论能够满足SMD转移工艺的广泛需求,并已在实际检测设备上得到验证。
[硕士论文] 王雪秋
机械电子工程 重庆大学 2015(学位年度)
摘要:液压机械复合变速器(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,简称HMCVT)是一种液压功率流与机械功率流并联的新型传动装置,这种变速器具有无级调速特性,并且能大幅提高大功率车辆的燃油经济性、动力性。现已广泛应用于环卫车辆、农业耕作车辆、工程车辆、军用特种车辆等,所以对其的研究具有重要的社会实用价值。而对液压机械复合传动系统效率影响最大的就是功率循环现象,所以对复合传动系统的功率循环机理研究也越来越重要。
  论文首先介绍了目前国内外液压机械复合变速器的研究成果,总结了液压机械复合传动的基本理论,以及目前主要研究的输出耦合式和输入耦合式共12中方案的无级调速特性、功率分流比特性、效率特性。
  其次,分析了液压机械传动系统中重要组成部件——差动轮系以及系统的功率流向的判断方法,总结出了液压机械传动系统产生功率循环的条件、影响功率循环的参数,并分析出了功率循环现象对系统总效率的影响。在此基础上,提出了混合式液压机械传动系统的36种方案,以及混合式系统五种功率流向下功率循环现象对混合式传动系统总效率的影响。并对输出耦合式传动系统、输入耦合式传动系统和混合式传动系统的功率分流特性、效率特性进行了比较。
  运用功率键合图建模理论分别对混合式液压机械复合变速器的几个组成部分以及系统进行建模。利用20-sim仿真软件对系统模型进行了仿真分析,得出了混合式液压机械无级变速系统的调速特性曲线、液压功率和排量比的关系图、总效率和排量比的关系图,通过仿真结果验证了前文对功率循环产生条件以及功率循环对系统效率影响的研究。
  最后,设计了混合式液压机械复合传动系统的试验方案,可以通过调速特性试验、功率分流比试验和效率试验来验证本文理论分析的正确性,并对以后改进设计提出了指导意义。并通过试验验证了功率分流比和系统效率的关系。
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