微纳机电系统建模与仿真大作业.
系统建模与仿真课后作业
目录 实验 1 CH 关联 ................................................................................................................................. 3 实验内容................................................................................................................................... 3 实验要求................................................................................................................................... 3 实验思路................................................................................................................................... 3 实验讨论................................................................................................................................... 3 实验结果................................................................................................................................... 4 实验 2 苯氯化学反应仿真器 .......................................................................................................... 6 实验内容................................................................................................................................... 6 实验原理................................................................................................................................... 6 实验思路................................................................................................................................... 7 问题 1................................................................................................................................ 7 问题 2................................................................................................................................ 7 实验讨论................................................................................................................................... 8 实验 3 心肌细胞电生理特性仿真 .................................................................................................. 9 实验内容................................................................................................................................... 9 实验原理................................................................................................................................... 9 实验思路................................................................................................................................. 11 实验结果................................................................................................................................. 11 实验问答题............................................................................................................................. 13 实验讨论................................................................................................................................. 14 附录（改进部分代码）................................................................................................................. 15 实验 1...................................................................................................................................... 15 实验 2...................................................................................................................................... 15 实验 3...................................................................................................................................... 16
机械系统设计仿真大作业
《机械系统设计仿真》大作业一、简答题（30分，每题5分）1、机械系统设计的基本问题是什么?答：机械系统设计的基本问题是机构的综合、运动学和动力学分析与设计。
2、求解动力学的两个基本问题是什么?答：两个基本问题是：一、动力学逆问题，己知运动求力；二、动力学正问题，已知力求运动。
3、简述牛顿—欧拉法的解题步骤。
答：采用牛顿—欧拉方法的基本步骤是先将系统的约束解除，分割成若干个单个的刚体或质点，然后对每个刚体或质点应用牛顿第二定律和欧拉动力学方程一一建立运动微分方程。
4、简述主工具箱上部的12个图标的功能,如图1所示。
：5、鼠标的右键操作主要应用于哪些场合?答：使用鼠标右键的场合主要有：1)显示建模过程中屏幕亡的各种对象的弹出式菜单，例如：构件、标记、约束、运动、力等。
2)在各种输入对话框中的参数文本输入栏，显示输入参数的弹出式菜单。
3)在后处理过程中，显示曲线图中各种对象的弹出式菜单，例如：曲线、标题、坐标、符号标记等。
4)在主工具箱、快捷工具栏等有工具图标集的场合，显示所选择的工具图标集的所有图标命令。
图16、解释几何样机的参数化建模，并指出ADAMS ／View 提供的4种参数化建模方法。
答：1.参数化建模是将样机的建模参数设置为可以改变的变量、表达式和函数，在分析过程中，只需改变样机模型中有关参数值，程序就可以自动地更新整个样机模型，获得新的样机模型，以便预先设置可变参数，自动地进行一系列的仿真分析，研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的设计结果。
2.ADAMS ／View 提供了4种参数化建模方法：使用参数表达式、参数化点坐标、关联移动和使用设计变量。
二、图2所示为一单摆，质量为m ，摆长为l 。
设摆的悬点P 沿x 轴按x p ＝Asin ωt 运动，讨论系统的自由度，并写出约束方程。
(10分) 解：M 、P 共有2×N ＝4个坐标，系统满足3个完整约束X P ＝Asin ωt Y P ＝0（X m －Y p ）2＋Y m 2＝L2该系统没有非完整约束，因此是一个完整系统，其自由度数为4－3＝1。
系统建模与仿真课程作业要求
《系统建模与仿真》课程作业要求鉴于本重修课程上课对象主要为工业工程毕业班的同学，很多同学在企业进行实习，上课学生太少，因此后续课堂授课不再进行，而改由同学们自学。
自学参考资料主要有：（1）课程讲义（需要到曹旭东处去拿底稿进行复印）及其模型（在上下载）；（2）WITNESS软件操作指南，下载链接：/s/1gd43COV。
课程作业相关说明：（1）课程最终考核依据：为提交报告（和模型）+前期出席情况。
（2）提交截止时间：2014-5-23（3）提交方式：纸质打印报告一份（交由曹旭东同一收齐后，在截止时间之前联系并交给我），报告（和模型，若有）电子档发送至jiannywang@ （4）报告要求：文档结构和排版参考毕业论文的格式（5）课程作业题型(一)（A类课题）根据课程讲义独立章节的模型进行流程扩展或条件变更，进行模型的设计、仿真结果的统计分析和改善设计，并最终形成仿真设计分析报告。
(二)（B类课题）根据实习企业的生产、物流或供应链系统、也可以是服务系统，选择系统中相对独立的部分（子系统）进行系统仿真方案设计，需要包括：（i）系统现状分析，主要是描述清楚系统运作过程相关的内容，可能包括系统设施布局、组成要素（机器设备、仓库、车辆、人员、订单等）、组成要素的运作流程和数据（加工时间、运输时间、订单量等）、存在的问题（例如：设备利用率不高、系统库存过高、订单满足率过低等），以及其他相关内容。
（ii）仿真目标和可行方案，主要说明该系统进行仿真可能达成的目标，以及为了达成该目标可能采取的方案（这些方案的效果需要通过仿真方能够进行评价，在报告中可以通过其他方法进行这些方案效果进行简要分析）。
(三)（C类课题）系统建模与仿真研究报告，主要是进行系统建模与仿真研究文献综述，或系统建模与仿真的实际应用介绍等。
注：（1）三类题型优劣排序为A—〉B—〉C（2）报告成文不少于8页；（3）报告格式排版需要工整清楚，图表清晰；（4）报告需要封面页：写上课程名称、课题名称、姓名、班级、学号、日期等。
《系统建模与仿真》作业题
第1题——最小二乘法的具体应用例子[题目]已知某一单输入单输出线性系统的差分方程形式为101()(1)()(1)()y k a y k b u k b u k k ξ=--++-+但其参数1a ，0b ，1b 为未知数，且()k ξ为不相关的随机序列。
经过辨识试验，测得5组输入输出数据为(1) 1.5u =，(2) 3.8u =-，(3) 3.1u =，(4) 2.99u =，(5) 5.12u =和(1)0.8y =，(2)0.1y =-，(3)0.45y =，(4)0.34y =，(5)0.12y =。
试求出其最优参数估计。
解：编写MATLAB 程序如下：u(1)=1.5;u(2)=-3.8;u(3)=3.1;u(4)=2.99;u(5)=5.12;y(1)=0.8;y(2)=-0.1;y(3)=0.45;y(4)=0.34;y(5)=0.12;c=10000;P=diag([c,c,c]);f=[-y(1) u(2) u(1)];K=P*f'*inv((1+f*P*f'));x=K*y(3);for n=1:1:2f=[-y(n+1) u(n+2) u(n+1)];%f2P=P-P*f'*inv((1+f*P*f'))*f*P;%P1K=P*f'*inv((1+f*P*f'));%K2x=x+K*(y(n+3)-f*x);%x2end其中x 中存储最终的结果：a1=-0.023;b0=-0.018;b1=0;第2题——以M 文件的形式编写一个MATLAB 仿真程序[题目]给定被控系统模型(1)()0.8()()y k y k u k f k +=++，其中干扰()0.20.1sin 0.01f k k =+，初值(0)0.2y =，(0)0u =。
试编写一个M 文件，对该系统在PD 控制律(1)()()u k u k u k +=+∆12()[()()]{[(1)()][(1)()]}r r r u k B y k y k B y k y k y k y k ∆=-++--+-作用下的输出()y k 进行仿真，将系统的实际输出()y k 与参考输出()r y k 画在同一张坐标图上。
(完整)系统建模与仿真习题答案(forstudents)
第一章习题1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？答：仿真是建立在控制理论，相似理论，信息处理技术和计算技术等理论基础之上的,以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。
它所遵循的基本原则是相似原理。
1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别?各有什么特点?答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，计算。
它是一种纯物理意义上的实验分析方法,在对系统的认识过程中具有普遍意义。
由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性.仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法.1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。
由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题,统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验.1—4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何?.答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰,模拟仿真较数字仿真精度低但模拟仿真具有如下优点：（1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。
（2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。
（3）能快速求解微分方程.模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关.（4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进行非实时仿真.（5）易于和实物相连。
1-5什么是CAD技术？控制系统CAD可解决那些问题？答：CAD技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design)，是将计算机高速而精确的计算能力,大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析，逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量的技术.控制系统CAD可以解决以频域法为主要内容的经典控制理论和以时域法为主要内容的现代控制理论。
《系统建模与仿真》作业题1
《系统建模与仿真》作业第一次（共两次）布置作业时间：“经典建模法”结束后 要求交作业时间：从布置日开始不超过1周 作业量：共3道题第1题——体现电气系统经典建模[题目] 在如图所示的电路中，R 表示一个电阻，L 表示一个电感，C 表示一个电容，i 表示电流强度，u 表示输入电压，c u 表示电容器的输出电压。
试写出一个状态空间数学模型。
u图1 典型的RLC 电路第2题——体现机械系统经典建模[题目]如图2是一个文字处理器打印轮轴控制系统的简化图。
打印轮轴由一个直流电动机通过皮带和滑轮进行控制。
假设皮带是刚性的，电动机与皮带轮之间的连接也是刚性的，并定义如下的参数和变量：m ()T t 是电动机的力矩；m ()t 是电动机的角位移；()y t 是打印轮轴的线性位移；m J 式电动机的惯量；m B 是电动机的粘性摩擦系数；K 是扭转轴的刚性系数；r 是滑轮的半径；M 是打印轮轴的质量。
（1）写出系统的微分方程；（2）写出系统的传递函数模型m ()()Y s T s 。
T打印轮轴图2 打印轮轴控制系统简化图第3题——体现热工过程经典建模汽轮机高压加热器疏水系统的原理框图如图3所示，其中各段抽汽的压力大小关系为321p p p >>，抽汽温度大小关系为321T T T >>。
给水流量w 和给水温度T 一般来说为两个随机变量。
三个疏水管道阀门的开度为归一化量，即]1,0[,,321∈u u u 。
三个高压加热器的疏水水位分别为1y ，2y ，3y 。
它们的关系可描述为),,,(111111T w T p f u k y+-= ),,,(22223122T w T p f u k u k y+-= ),,,(T w T p f u k u k y+-=图3 汽机高加疏水系统原理框图式中的),,,(111T w T p f ，),,,(222T w T p f ，),,,(333T w T p f 表示系统的不确定干扰，1k ，2k ，3k ，4k ，5k 表示适当的正常数。
系统建模与仿真作业集课程设计
系统建模与仿真作业集课程设计一、概述本课程设计旨在培养学生系统建模与仿真的能力，让学生掌握系统建模的基本方法和仿真工具的使用。
课程设计包括以下任务：•建立一个系统模型；•用仿真软件验证该系统模型；•通过仿真结果优化与改进系统模型；•展示仿真结果并撰写分析报告。
二、任务描述建立系统模型在本任务中，学生需设计一个系统模型，并用系统建模工具进行模型设计。
模型设计需要描述系统中各个组成部分的功能与流程，并从中提取重要的参数用于后续仿真分析。
仿真验证在本任务中，学生需要选取合适的仿真工具进行仿真模拟。
仿真分析需要模拟系统在不同的运行条件下的运行情况，并对仿真结果进行分析与评估。
优化改进系统模型在本任务中，学生需要根据仿真结果进行分析，并对系统模型进行优化与改进。
学生需要针对仿真结果中的问题提出解决方案，并将其应用于系统模型中。
分析报告在本任务中，学生需要将仿真结果进行分析，并将分析结果撰写报告。
报告需要包含模型分析、仿真结果、优化方案和结论等内容。
三、任务要求本课程设计要求学生掌握以下技能：系统建模学生需要掌握系统建模的基本方法，如通用建模语言（UML）、数据流图（DFD）等。
在模型设计过程中，学生需要考虑系统的整体性，合理规划模型结构，从而设计出可行的系统模型。
仿真工具学生需要掌握常见的仿真工具，如MATLAB、Simulink等，并学会使用这些仿真工具进行仿真分析。
仿真结果分析学生需要基于仿真结果进行分析，并从中获得对系统运行状态的认识。
学生需要学会从多个维度对仿真结果进行分析，如系统稳定性、系统响应时间等。
结果展示和报告撰写学生需要掌握报告撰写的基本要求，了解报告的结构和格式。
学生需要准确地展示仿真结果，说明所得的结论，并提出改进建议，从而完成一份完整的课程设计报告。
四、评分标准本课程设计的评分标准如下：系统模型设计（20分）学生需要根据实际情况设计出可行的系统模型，同时需要理清模型的结构和流程，确保模型符合实际场景。
系统建模与仿真 作业
>> [m,n]=size(A) m = 8 n = 8 >> B=A(2:2:floor(m/2)*2,:)
B = 9 40 41 8 2-3 建立一个m文件，如下： function y=fenduan(x,D,h) if(x>D) y=h; elseif(x<=D&x>=-D); y=h/(D*x) else y=(-h); end 在命令窗口作如下命令输入： Command window： >> x=2 x = 2 >> fenduan(x,D,h) ans = 0.1000 >> x=-6 x = -6 55 26 23 58 54 27 22 59 12 37 44 5 13 36 45 4 51 30 19 62 50 31 18 63 16 33 48 1
3 4 2
2 1 1
2-31: clear all clc x=1:24; y=[14 14 14 14 15 16 18 20 22 23 25 28 31 32 31 29 27 25 24 22 20 18 17 16]; plot(x,y,'o');hold on p1=polyfit(x,y,3);%三次多项式拟合 y1=polyval(p1,x); plot(x,y1,'r') p2=polyfit(x,y,4);%四次多项式拟合 y2=polyval(p2,x); plot(x,y2,'b') p3=polyfit(x,y,5);%五次多项式拟合 y3=polyval(p3,x); plot(x,y3,'m') p4=polyfit(x,y,6);%6次多项式拟合 y4=polyval(p4,x); plot(x,y4,'g')
微机电系统基于端口的多领域建模和仿真
（ ｏｌ ｅ ｆＭｅｈ ｎｃ ｌ ｎ ｅｔｏ ｉ Ｅ ｇ． ｈ ｎ ｏｇＵ ｉｅｓ ｙｏ Ｓ ｉ ｃ￣Ｔｅｈ ｏｏ ｙＱｉｇ ａ ，Ｓ ａ ｏｇ２ ６１ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｃａ ｉ ｄＥｌｃｒｎｃ ｎ ，Ｓ ａ ｄ ｎｖｒｉ ｆ ｃｅ ｅ ｅ ｏ ａａ ｎ ｔ ｎ ｃｎ ｌｇ ｎ ｄ ｏ ｈ ｎ ｎ ６ ５ ０ ｈ ｎ ） ｄ
ｓ ｔ ｆ ｒｓｏ ｔ ｅｏ ｔ ｆ ａ ａ Ｍ ｍｏ ｅ ｎ ｄ ｓ ｌａｉｎ，ａ ｄ ｐ ｅｅ ｔｄｔ ｅｐ ｒｅ － ｓｄｍｕｔ ｄ ｍａｎｍｏ ｅｉｇｍｅｈ ｓ ｄ ｌ ｇ ａ ｉ ｉ ｎ ｍｕ ｔ ｏ ｎ ｒｓｎ ｅ ｈ ｏｔｄ ｈ ｅ ｌ ｉ ｏ ｉ ｄ ｌ ｔ ｏ ， ａ － ｎ ｄ
ｉｇａ ｄｓｍｕａｉｎｏ ｏｅＭ ＥＭ Ｓｃ ｎ ｂ ｏ ｅｂ ｎｙｏ ｅｍｏ ｅｉｇ ｌ ｇ ａ ｅａ ｄｏ ｅｓ ｌｔ ｒ ｎ ｉ ｌｔ ｆｗｈ ｌ ｎ ｏ ａ ｅｄ ｎ ｙ ｏ ｌ ｎ ｄ ｌ ａ ｕ ｇ ｎ ｉ ａｏ． ｎ ｎ ｎ ｍｕ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｍ Ｅ Ｓ；ｍ ｏ ｅｉ ｇ ｉ ｕａ ｉｎ；ｍｕ ｔ ｄ ｍ ａｎ ｙｗｏ ｄ ： Ｍ ｄ ｌ ；ｓｍ ｌｔｏ ｎ ｌｉ ｏ ｉ －
ｎ ｒｓｎ ｅ ｔ ｄ ｌ ｐ ｒａ ｈ ｉ ｏ ｅ ｔｌｖ ｌ ｔｉｄｃｔｓｔ ａ ｎｖ ｒａ ｘ ｒｓ ｉ ｆｍｕ ｉ ｏ ｉ ａ ｄ ｐｅ ｅ ｔ ｅｍｏ ｅｉｇ ａ ｐ ｏ ｃ ｎ ｃｍｔ ｄ ｍａｎ ｄ ｈ ｎ ｏ ｏ －
ｐ ｙ ｉ ｓｒａｉｅ ｒ ｂ ｓ ｄ ｅｉｇｍｅｈ ｓａ ｄｔｐ ｄ ｗｎｈｅａｃ ｉａ ｄ ｅｉ ｃ ｉ ｅ ，ａ ｄ ｔｅｍｏ ｅ— ｈ ｓ ｓｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｐ ｔ ａ ｅ ｍｏ ｌ ｔｏ ｎ － ｏ ｉｒｒｈｃｌ ｃ ｚ ｎｏ － ｄ ｎ ｄ ｏ ｍｏ ｌ ｉ ａ ｈｅ ｄ ｎ ｄ ｌ ｇ ｎ ｓ ｖ ｈ
电机系统建模与分析大作业
二、解题思路
1.
按电动机原则取正方向
%=P申%+他叫+/J=LqPj+少+R蟲
匚二护再一苦山=评凡
.Tiy=B（o
Tf=Jp<o
7
即.
整理得状态方程组:
Uq —CO屮f— Rqiq
PiqL
Lq
'-■fiq-B
电机系统建模与分析大作业
本科上机大作业报告
课程名称：电机系统建模与分析
姓 名：
学 号：
学 院：
专 业：
指导教师：
提交日期：年 月曰
一、作业目的3
二、作业要求4
三、解题思路5
1.数学模型的建立5
2.滞环PWM的产生6
3.电枢电压的确定6
4.电枢电流为负值时的处理方法6
5.RUNGLE-KUTTA法的基本算式7
四、仿真程序7
1•主程序7
2.调用程序9
五、 仿真结果及其分析1.1•……
1.仿真结果1.1
2.分析计算结果.1.3.……
3.计算结果影响因素13......
步长的影响13.......
转动惯量的影响1.4......
电感的影响1.6.......
4.改进控制策略以获得更好的转速控制性能（PID）1.8.
x(+1=禺+A(K,+2K2+ 2K3+K4)/6
K」"亿心)
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K严％e(W/2・KJ)
K4=f(r1+lf(x；+A^K3))
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(一设计技术
MEMS产品设计包括系统、器件、电路和封装等设计。
MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法满足设计需要。计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS器件设计中得到广泛的应用,采用CAD能设计出具有低成本、高性能、更为复杂的新型系统。2D和3D计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元分析技术的应用可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能,对器件的静态、准静态和动态模拟成为可能,从而使我们能够对MEMS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
(1微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。
(2以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。
(3尺度效应现象:一般的MEMS器件还没有小到进入物理学中的微观范畴,因此进店物理学仍然成立。但由于尺寸说笑带来的影响,许多物理现象与宏观世界有很大区别,因此许多原来的理论基础都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等,因此有必要对为动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。
研究生课程考试成绩单
(试卷封面
院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580
课程名称微/纳机电系统建模与仿真
授课时间2013年3月至2013年6月周学时3学分2
简
要
评
语
考核论题MEMS综述
总评成绩
(含平时成绩
备注
任课教师签名:
日期:
注:1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。
4.3器件的生产工艺(7
4.4器件的工作原理(8
5、MEMS的应用与未来(9
6、参考文献(11
MEMS综述
129580刘晨晗
1、MEMS简介
图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m μ-100m μ或者0.1m μ-100m μ称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman在一年一度的美国物理学会上提出一个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ”【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。
C重点领域明确。美国在发展初期确定军事应用为其主要方向,侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究;日本重点发展进入工业狭窄空间的微机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。欧洲则重点发展μTAS(Micro Total Analysis System,全微分析系统或LOC(Lab on Chip,芯片实验室。
在科研能力积累上,1996年建设的微米/纳米加工技术国家级重点实验室,使我国的MEMS加工技术研究得到较大提高,实验室购置了当时国际上最先进的MEMS加工关键设备,如STS深槽刻蚀机、Karlsuss双面光刻机/键合对准机、可用于硅/玻璃静电键合和硅/硅预键合的Karlsuss键合机、LPCVD、压塑机等,连同配套的IC设备,如溅射台、扩散炉、RIE刻蚀机、PECVD、光刻机等设备,初步构成了具有国际先进水平的MEMS加工线。这些设备结合一些分散于各研究机构的微电子工艺线和微加工设备,组成了目前我国的MEMS加工技术基础。在上述设备的基础上,已开发出具有一定水平的MEMS加工技术。其中北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺,已制备出加速度计样品,并已开始为国内研究MEMS的单位提供加工服务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务,如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术,紫外深度光刻—、高深宽比微电铸和模铸加工,功能材料薄膜制备等。电子部13所研究的融硅工艺也取得了较大进展,已制备出微型加速度计和微型陀螺样品。
(6多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。
2、MEMS历史与发展现状
2.1 MEMS历史
费曼提出“There is plenty of room at the bottom”观点后几十年,人们都没有意识到它的重要性。直到微马达的出现才引起了人们的重视。1987年,美国UC Berkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性,这是MEMS技术的开端。1988年,美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”,并呼吁:美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列。1993年,美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。20世纪90年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后,MEMS技术发展迅速,特别是深槽刻蚀技术出现后,围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近,美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用,预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化,如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件(DMD、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等,并且应用领域十分广泛。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长,说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。图2展示了MEMS发展历史上一些重要的时刻【6】
图1自然界典型事物的特征尺寸
MEMS即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置,包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。MEMS所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS中心给Microsystem/Micromachine下的定义【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。
(二材料
MEMS应用的材料主要有三种:单晶硅和多晶硅,压电材料和其他类型合成材料。
(1硅材料:硅的机械性能好,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导性接近钼和钨。19世纪60年代,MEMS刚出现时,IC工业应用的半导体材料只有单晶硅衬底和多晶硅薄膜两种材料。
3、MEMS研究内容
MEMS系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理单元后(包括A/D、D/A转换,再通过微执行器对外部世界发生作用。下图给出了MEMS系统与外界相互作用的示意图【8】。
图3 MEMS系统与外界相互作用图
经过近20年的发展,我国已在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果。现有的技术条件已初步形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为保证我国MEMS技术的进一步发展提供了较好的平台。但是,由于历史原因造成的条块分割、力量分散,再加上投入严重不足,尽管已有不少成果,但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。
图2 MEMS发展历史
2.2 MEMS发展现状
2.2.1国外概况
回顾MEMS发展进程,国外发展MEMS的特点有如下4个方面【7】:
A国家高度重视。在初期,政府行为起主导作用,如1992年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会(NSF把微米/纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署(DARPA制定的微米/纳米和微系统发展计划,对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料,充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势,设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本早在1991年开始启动了2.5亿美元的大型研究计划—“微机械十年计划”。
D重视基础技术的建设。十立的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加
工基地,如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。
2.2.2国内概况
我国MEMS的研究始于20世纪90年代初,起步并不晚,在“八五”、“九五”期间得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。经过10年的发展,我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。包括京津地区,如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信息产业部电子49所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西南地区,如重庆大学,信息产业部电子24所、44所和26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航天771所等。这些因地域而组成的研究集群,已形成彼此协作、互为补充的关系,为我国的MEMS研究打下了良好的基础。
B企业介入、市场牵引。在MEMS发展初期,美国就重视牵引研究主体—大学与企业的结合。例如在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立的BSAC(Berkeley Sensor and Actuator Center就由多所大学和企业组成。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景,通过引入表面牺牲层技术并加以改造,使微型加速度计的商品化获得巨大成功。