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

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

2、合效應(yīng)解析的研究已成為學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用中的一個難題。 傳統(tǒng)的有限元法很難通過各個物理場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)在多物理場環(huán)境下這種具有復(fù)雜特征的動力學(xué)機制的解析模型上有著困難。此外，在微米級的微觀領(lǐng)域，一些宏觀作用機理能否精確適用的問題仍然有待研究。 為了解決以上問題，本文以MEMS典型微結(jié)構(gòu)為研究對象，提出了基于自組織原理的元胞自動機(CA)法，為微結(jié)構(gòu)多物理場耦合解析這個難題提供了一個有

3、效的解析方向。本文將具有靈活性的、在求解微結(jié)構(gòu)多場耦合上存在優(yōu)勢的、自下而上的自組織理論引入多物理場耦合解析中，對微結(jié)構(gòu)多物理場耦合解析方法進行了系統(tǒng)而深入的研究： (1)分析了MEMS器件中常見的多物理場耦合效應(yīng)，如溫度效應(yīng)、吸合效應(yīng)、電容邊緣效應(yīng)以及其他多物理場耦合效應(yīng)對器件性能的影響，提出了微結(jié)構(gòu)多物理場耦合解析的必要性。 (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機法，以及它們在微結(jié)構(gòu)多物理場

4、耦合解析上的應(yīng)用，并分析了它們各自的優(yōu)缺點和適用場合。 (3)以MEMS典型微結(jié)構(gòu)中的平面應(yīng)力問題為研究對象，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機的溫度—結(jié)構(gòu)場耦合解析模型；并采用所建算法對典型微結(jié)構(gòu)的溫度—結(jié)構(gòu)耦合進行解析，驗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—