微結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的自組織解析方法.pdf

1、MEMS的加工工藝和工作環(huán)境常常對(duì)其測(cè)量精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等產(chǎn)生多物理場(chǎng)耦合干涉效應(yīng)。由于微小結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)，使得微結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中性能受溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合的影響更加錯(cuò)綜復(fù)雜，難以預(yù)料。微結(jié)構(gòu)的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)解析在MEMS產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化中起著很重要的作用，精確地模擬和計(jì)算出微結(jié)構(gòu)在多物理場(chǎng)中的行為特征，對(duì)設(shè)計(jì)出高靈敏度和高性能的微結(jié)構(gòu)起著指導(dǎo)作用。目前，對(duì)微結(jié)構(gòu)(機(jī)械場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等)的多物理場(chǎng)耦

2、合效應(yīng)解析的研究已成為學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用中的一個(gè)難題。 傳統(tǒng)的有限元法很難通過(guò)各個(gè)物理場(chǎng)整體的偏微分方程找出它們之間的耦合關(guān)系，在建立微結(jié)構(gòu)在多物理場(chǎng)環(huán)境下這種具有復(fù)雜特征的動(dòng)力學(xué)機(jī)制的解析模型上有著困難。此外，在微米級(jí)的微觀領(lǐng)域，一些宏觀作用機(jī)理能否精確適用的問(wèn)題仍然有待研究。 為了解決以上問(wèn)題，本文以MEMS典型微結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，提出了基于自組織原理的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)法，為微結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合解析這個(gè)難題提供了一個(gè)有

3、效的解析方向。本文將具有靈活性的、在求解微結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合上存在優(yōu)勢(shì)的、自下而上的自組織理論引入多物理場(chǎng)耦合解析中，對(duì)微結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合解析方法進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究： (1)分析了MEMS器件中常見(jiàn)的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，如溫度效應(yīng)、吸合效應(yīng)、電容邊緣效應(yīng)以及其他多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)器件性能的影響，提出了微結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合解析的必要性。 (2)闡述了自上而下的有限元法和基于自組織的自下而上的元胞自動(dòng)機(jī)法，以及它們?cè)谖⒔Y(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)

4、耦合解析上的應(yīng)用，并分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。 (3)以MEMS典型微結(jié)構(gòu)中的平面應(yīng)力問(wèn)題為研究對(duì)象，根據(jù)應(yīng)變能守恒，將連續(xù)性單元轉(zhuǎn)化為米字形桁架結(jié)構(gòu)，并建立元胞空間：從簡(jiǎn)單的二力桿熱力分析出發(fā)，推導(dǎo)熱應(yīng)力的局部規(guī)則，建立了基于元胞自動(dòng)機(jī)的溫度—結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合解析模型；并采用所建算法對(duì)典型微結(jié)構(gòu)的溫度—結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)行解析，驗(yàn)證了所建解析方法的可行性和效率。 (4)在溫度—結(jié)構(gòu)耦合CA算法的基礎(chǔ)上，深入研究了靜電—溫度—