基于Arnoldi算法的MEMS微梁的宏建模

微机电系统通常涉及机、电、流体、热等多个耦合能量域,其设计与分析需要通过宏建模来降低复杂度。论文根据系统传递函数矩匹配原理,提出将Arnoldi算法与Taylor展开相结合来实现MEMS器件行为的宏建模,建立了典型MEMS微梁的宏模型。与有限差分法相对比,该方法可以较准确地实现MEMS器件的快速动态仿真。

平板式可变电容器宏建模及其在MEMS设计中的应用实例

平板式可变电容器是MEMS重要的机电耦合部件,建立其宏模型是MEMS系统级快速仿真的迫切需求。本文采用解析法在三维空间内建立了可描述活动极板六自由度运动的宏模型,并以MAST为模型编码语言实现了其多端口参数化组件模型。在SABER仿真平台上构建了电容检测式微加速度计系统级模型,时域仿真结果表明使用该系统级模型能够快速进行有限元分析软件难以实现的复杂机电耦合系统时域行为分析。

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。

微结构的大转角非线性动态行为的宏建模方法

针对微结构的大转角非线性动态行为,提出采用欧拉参数法对用传统欧拉角度法描述的微结构动力学方程进行线性化,以避免MEMS器件的系统级仿真不收敛和提高仿真速度.以大转角扭转微镜为例验证了方法的有效性.用硬件描述语言Mast编程建立了组件模型,使用组件模型构建了系统级模型并进行了仿真分析.分析表明,两种方法的仿真精度与有限元方法比较相差都在2%以内;与欧拉角度法比较,使用欧拉参数法仿真速度快3倍以上;说明使用欧拉参数法能够在不显著损失精度的前提下更加有效地描述微结构的大转角非线性动态行为.

基于TPWL方法的MEMS热微执行器的热电耦合宏建模

本文给出了一种基于轨迹分段线性化TPWL(Trajectory Piecewise-Linear)方法的非线性热电耦合宏建模技术。首先建立了MEMS热微执行器的三维非线性热电耦合模型,并采用有限元方法对其进行空间离散,然后利用新的基于全局最大误差控制的线性化点选择算法获得一组线性化点,最后使用TPWL方法构造MEMS热微执行器的热电耦合宏模型。以平板式热微执行器为例,研究了宏模型的精度、效率及可扩展性。与全模型仿真结果进行比较,宏模型仿真结果的相对误差可达到0.036%,加速比可达到100倍以上。

一种被动式微混合器的宏微建模方法与实验

建立了可用于被动式微混合器设计的宏微建模方法,利用分离变量法建立用于求解直通道内样品浓度分布的宏模型,采用宏模型计算微混合器的各段直通道内样品的浓度分布.运用有限元方法数值求解复杂的混合单元内样品的浓度分布,通过数值拟合和插值,交换宏模型与数值求解的计算结果.经过反复迭代,实现被动式微混合器的系统级求解.采用数控铣削在聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平板上加工微通道,用热键合的方法实现微混合器盖片与基片的封装.在微混合器入口,输入3种不同浓度的荧光素钠盐溶液,形成样品浓度的准正态分布.采用激光诱导荧光观察和分析样品的混合效果.通过对比数值仿真和实验测试结果,验证了宏微建模计算方法的准确性.

MEMS系统级设计与基于多端口组件网络的建模方法

MEMS的系统级设计对保证其整体综合性能和合理开发MEMS产品至关重要。针对MEMS的多能量域耦合、多信号混合的特点以及能量非保守等特殊要求 ,提出了基于多端口组件网络的MEMS系统级建模方法———采用多端口组件表示MEMS的功能结构部件 ,组件与组件通过端口联成网络表示整个系统 ;用统一规范化的微分代数方程表征并用硬件描述语言表述多端口组件。针对梁等具体的MEMS功能结构部件 ,采用宏建模方法确定其行为方程 ,从而得到有特定物理意义的、可供重用的组件模型。最后 。

铝合金管弯曲成形表面粗化宏细观耦合建模仿真

铝合金管弯曲成形中的表面粗化缺陷严重影响了其表面质量和使役性能,迫切需要探明该成形过程中的表面粗化形成规律以避免此类缺陷的产生。管材弯曲成形宏观有限元模型无法准确描述细观尺度不均匀变形导致的表面粗化行为,而细观力学模型又难以应用到具有复杂加载边界条件的实际成形过程分析。将基于Voronoi图和晶体塑性理论的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)细观模型引入宏观有限元模型,建立了铝管弯曲三维宏细观耦合模型,模拟研究5052-O铝管在弯曲过程中的表面粗化特征,系统分析了细观材料参数对弯曲过程表面粗化行为的影响规律。结果表明,晶粒尺寸越小,晶粒内部与晶界附近的应变差值越小,其变形越均匀,能获得越小的表面粗糙度;对于Cube织构和随机织构混合的模型,随着Cube织构含量的增多,弯曲变形后表面粗糙度呈下降趋势;织构分布与加载方式耦合影响表面粗化行为。

支持任意流程的微机电系统设计工具

论述了微机电系统设计工具的发展概况,并针对微机电系统的多样性对设计工具的需求提出了一种可支持任意流程的微机电系统设计工具架构。该架构以系统级行为建模与仿真、器件级物理建模与仿真和工艺级版图设计与工艺仿真三个设计层级为主干,但特别地提出以六个数据自动传递接口来连接任意两个设计层级。这样,三个设计层级通过六个数据自动传递接口构成一个设计闭环,使得用户可以从任意一个设计层级开始设计,并完成设计循环,提供了在设计流程上的最大柔性。以网表、标准格式的实体模型和版图文件分别作为这三个层级设计数据的出入口,并设计了相应的信息提取算法及程序,实现了任意两个级别之间的数据自动传递,从而可以支持在该架构下的全部六种设计流程。所进行的设计实例表明,基于该工具可以针对不同的微机电系统器件选择最优的设计路线,是对当前通用微机电系统结构化设计方法的发展和提高,可显著提高设计效率。

Macro modeling and analysis of traffic flow with road width

The macro modeling and the solution of traffic flow with road width were investigated.Firstly,a new macro model with the consideration of road width was proposed.Secondly,the effects of road width on uniform flow and small perturbation were studied.The analytical and numerical results show that widening (shrinking) road can enhance (reduce) the equilibrium speed and flow,and the increments (decrements) will increase with the absolute value of road width gradient.In addition,the numerical results illustrate that the new model can describe the effects of road width on the evolutions of uniform flow and small perturbation.

基追踪去噪的高效向量匹配算法

提出了一种针对有噪声频率响应的基追踪去噪的高效向量匹配(BPDN-VF)算法,该算法在向量匹配(VF)算法的基础上,利用压缩感知领域的基追踪去噪(Basis Pursuit Denoising,BPDN)方法,可以有效地从有噪声的频率响应中精确恢复传递函数.与基于方差加权的向量匹配算法相比,提出的方法不仅可以减小至少87.5%的采样次数,还可以将从有噪声的频率响应中得到的拟合结果的误差平均减少20.5%.