[微機電系統(tǒng)動力學(xué)

1、振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究概要概要 (Outline)微機電系統(tǒng)的基本概況微機電系統(tǒng)的基本概況MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究若干動力學(xué)問題的研究若干動力學(xué)問題的研究MEMS動力學(xué)研究展望動力學(xué)研究展望振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1 微機電系統(tǒng)的基本概況微機電系統(tǒng)的基本概況1.1 MEMS基本概念基本概念1.2 MEMS基本模型基本模型1.3 MEMS歷史回顧歷史回顧1.4 MEMS加工技術(shù)加工技術(shù)1.5 MEMS研究成果研究成果1.6 MEMS應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用現(xiàn)狀1.7 MEMS技術(shù)小結(jié)技術(shù)小結(jié)振動、沖擊、噪聲

2、國家重點實驗室1.1 MEMS基本概念基本概念 微機電系統(tǒng) MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems (USA)微系統(tǒng)Mcirosystem (Europe)微型機械 Micromachine (Japan)微科學(xué) Microscience (Some researchers)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.2 MEMS基本模型基本模型振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.3 MEMS歷史回顧歷史回顧 1947年，科學(xué)家率先發(fā)明半導(dǎo)體晶體管 1959年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Feynman教授發(fā)表著名的MEMS預(yù)言演講 There is plenty of ro

3、om at the bottom 1964年，Nathenson研制出第一個批量生產(chǎn)的MEMS設(shè)備 resonant gate transistor 1984年，美國加州大學(xué)伯克利分校Howe 和 Muller利用IC工藝開發(fā)出多晶硅表面微加工技術(shù)，此技術(shù)被譽為MEMS加工技術(shù)的前奏 1988年，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制出首臺靜電微電機，標(biāo)志著MEMS時代的來臨振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.4 MEMS加工技術(shù)加工技術(shù) 表面微加工技術(shù) 薄膜生成技術(shù)；犧牲層技術(shù) 體形微加工技術(shù) 化學(xué)腐蝕；離子刻蝕 LIGA技術(shù)和SLIGA技術(shù) 光刻、電鑄及注塑 特種精密機械加工技術(shù) 電火花加工；激光

4、加工；光造型加工 固相鍵合技術(shù) 陽極鍵合；Si-Si直接鍵合；玻璃封接鍵合；冷壓焊鍵合振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.5 MEMS研究成果研究成果 First batch-fabricated MEMS（1964） First polysilicon surface micromachined MEMS device (1984)First electrostatic micromotor（1988）MEMS歷史上幾個重要的第一次歷史上幾個重要的第一次振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.6 MEMS應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用現(xiàn)狀軍事國防軍事國防生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)環(huán)境保護環(huán)境保護工廠維修工廠維修信息通信信息通信

5、交通運輸交通運輸航空航天航空航天 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室1.7 MEMS技術(shù)小結(jié)技術(shù)小結(jié)MEMS是人類科技發(fā)展過程一次重大技術(shù)整合是人類科技發(fā)展過程一次重大技術(shù)整合微電子、精密加工、傳感器、執(zhí)行器等技術(shù)微電子、精密加工、傳感器、執(zhí)行器等技術(shù)? 微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成在芯片上實現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變在芯片上實現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變MEMS極大地改善了人類生存方式與生活質(zhì)量極大地改善了人類生存方式與生活質(zhì)量大批量、低成本的微傳感器、微熱行器大批量、低成本

6、的微傳感器、微熱行器MEMS將會帶動一個充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長將會帶動一個充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室概要概要 (Outline)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室微機電系統(tǒng)的基本概況微機電系統(tǒng)的基本概況MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究若干動力學(xué)問題的研究若干動力學(xué)問題的研究MEMS動力學(xué)研究展望動力學(xué)研究展望2 MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究2.1微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)2.2多能域耦合效應(yīng)多能域耦合效應(yīng)2.3MEMS非線性動力學(xué)問題非線性動力學(xué)問題2.4動力

7、學(xué)建模和模擬分析方法動力學(xué)建模和模擬分析方法振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)()MEMS 象征著超小型計算機芯片與微型傳感器、象征著超小型計算機芯片與微型傳感器、探頭、光學(xué)元件及執(zhí)行器的密切結(jié)合。探頭、光學(xué)元件及執(zhí)行器的密切結(jié)合。 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)() 微型機械微型機械0.01m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1mNEMS100nm-0.1nm振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)() S/V ratio shrinks with the scale friction inertia heat diss

8、ipation heat storage electrostatic force magnetic force energy coupling energy production Important decrease in manufacturing relative accuracy Shrinking world, changing behavior振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)() 慣性矩的大小 I = r2dm 微馬達只需若干分之一秒可達最高轉(zhuǎn)速；而大馬達卻需數(shù)秒才能達到全速振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)() 各種驅(qū)動器的尺度效應(yīng)

9、各種驅(qū)動器的尺度效應(yīng)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.1 微尺度效應(yīng)微尺度效應(yīng)()2222000022111222rerrl WLVF V Vldl 靜電力 電磁力22()22ABFILBl1113131311333444lld EbhVd EVd EVFlLl 壓電力0fresidenceresidencem LHVmPower densitylVVtt 熱動力0000/22aareactionbbERTERTaafuelfueltlA fuelOeA fuelOe 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.2 多能域耦合效應(yīng)多能域耦合效應(yīng) 流體、固體等耦合微泵 微閥 微型水壓動力驅(qū)動器 電、熱、機

10、械等耦合熱致動器 熱傳感器 機、電、磁等耦合梳狀諧振器 靜電、電磁微電機等 電場力、空氣阻力、機械變形等耦合微壓電傳感器 原子力顯微鏡微梁探針振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.3 MEMS非線性動力學(xué)問題非線性動力學(xué)問題 宏觀非線性：宏觀非線性：材料特性、幾何特性等材料特性、幾何特性等 微觀非線性：微觀非線性：微摩擦、微動磨損、粘附等微摩擦、微動磨損、粘附等 固有非線性：固有非線性：初始應(yīng)力、大位移、熱傳輸效應(yīng)初始應(yīng)力、大位移、熱傳輸效應(yīng)等等 機械非線性：機械非線性：表面接觸、大變形、非線性阻尼表面接觸、大變形、非線性阻尼等等 多能域耦合非線性：多能域耦合非線性：電、磁、熱、光、化學(xué)等電、磁、

11、熱、光、化學(xué)等振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.4 動力學(xué)建模和模擬分析方法動力學(xué)建模和模擬分析方法()設(shè)計設(shè)計要求要求系統(tǒng)級系統(tǒng)級縮減級縮減級物理級物理級制作級制作級仿真仿真檢驗檢驗振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室2.4 動力學(xué)建模和模擬分析方法動力學(xué)建模和模擬分析方法() 動力學(xué)特性表述方法動力學(xué)特性表述方法 簡化的微分方程簡化的微分方程 非線性時變偏微分方程非線性時變偏微分方程 動力學(xué)模型動力學(xué)模型 微機械雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型微機械雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)模型 非線性電容器模型非線性電容器模型 集中參數(shù)模型集中參數(shù)模型 彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)模型彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)模型 平板電容器模型平板電容器模型 三維分段線性動力學(xué)

12、模型三維分段線性動力學(xué)模型 動力學(xué)分析方法動力學(xué)分析方法 宏模型建模分析方法宏模型建模分析方法 MelnikovMelnikov方法方法 等效電路方法等效電路方法 攝動法攝動法 非線性解耦分析算法非線性解耦分析算法 有限單元分析方法等有限單元分析方法等振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室概要概要 (Outline)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室微機電系統(tǒng)的基本概況微機電系統(tǒng)的基本概況MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究若干動力學(xué)問題的研究若干動力學(xué)問題的研究MEMS動力學(xué)研究展望動力學(xué)研究展望3 微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究

13、現(xiàn)狀3.2 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)問題3.3 微轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究現(xiàn)狀3.4 微旋轉(zhuǎn)機械的實驗檢測振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究現(xiàn)狀靜電微電機磁感應(yīng)微電機 超聲微電機 電磁微電機步進微電機SDA微電機 擺式微電機 微微 電電 機機 (Micromotor)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究現(xiàn)狀 微型水壓動力驅(qū)動器微型轉(zhuǎn)子飛機微型Otto循環(huán)發(fā)動機 微型渦輪機微型發(fā)動機微型火箭發(fā)動機 微型燃氣渦輪發(fā)電機 動力動力MEMS (Power MEMS)MEMS渦輪增壓器 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究現(xiàn)狀振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室美國噴氣推

14、進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機（液體氣化方式）。微推進器由薄膜加熱器、微型噴口等組成。其性能目標(biāo)為：比沖75125s，推力0.5mN，功率 5W，效率50%，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進器微推進器 3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究現(xiàn)狀振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室美國噴氣推進實驗室(JPL)展示的采用MEMS技術(shù)的電阻電熱式微推進器樣機(固體升華方式)。其性能目標(biāo)為：比沖5075s，推力0.5mN，功率 2W/mN，質(zhì)量為幾克，大小為1cm2。微推進器微推進器3.1 微旋轉(zhuǎn)機械的研究現(xiàn)狀振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室直徑直徑: 1 mm: 1 mm高度高度: 1

15、.5 mm: 1.5 mm重量重量: 12.5 mg: 12.5 mg最大轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)速: 18000 rpm: 18000 rpm最大力矩最大力矩: 1.5 : 1.5 NmNm直徑直徑1mm1mm微馬達微馬達上海交大研制的微馬達上海交大研制的微馬達3.2 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)問題 微尺度下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模和分析方法微尺度下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模和分析方法 微尺度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)及非線性特性問題微尺度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)及非線性特性問題 微尺度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的摩擦、磨損與潤滑問題微尺度下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的摩擦、磨損與潤滑問題 轉(zhuǎn)子高速運動及機電耦合非線性動力學(xué)問題轉(zhuǎn)子高速運動及機電耦合非線性動力學(xué)問題 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

16、振動測量與控制、穩(wěn)定性分析問題轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動測量與控制、穩(wěn)定性分析問題 微尺度下的動態(tài)特性測試及可靠性技術(shù)問題微尺度下的動態(tài)特性測試及可靠性技術(shù)問題 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.3 微轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究現(xiàn)狀 不同驅(qū)動方式下動力學(xué)特性研究不同驅(qū)動方式下動力學(xué)特性研究 多能域耦合非線性動力特性研究多能域耦合非線性動力特性研究 微尺度下動力潤滑特性機理研究微尺度下動力潤滑特性機理研究 超高轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性超高轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性 微尺度下摩擦磨損動力特性研究微尺度下摩擦磨損動力特性研究 轉(zhuǎn)子動力系統(tǒng)特性實驗檢測技術(shù)轉(zhuǎn)子動力系統(tǒng)特性實驗檢測技術(shù)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 微轉(zhuǎn)子動力

17、學(xué)建模與分析振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室 動力學(xué)模型動力學(xué)模型可變電容三維場模型可變電容三維場模型 平行板模型平行板模型 獨立模塊模型獨立模塊模型 等效電路模型等等效電路模型等 分析方法分析方法場電路分析方法場電路分析方法 數(shù)值優(yōu)化算法數(shù)值優(yōu)化算法 自動有限元建模方法自動有限元建模方法 運動模擬方法運動模擬方法 重疊單元方法重疊單元方法 場計算方法等場計算方法等 模擬軟件與系統(tǒng)模擬軟件與系統(tǒng)VHDL-AMS系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模 mTORQUE與與MICROTOR仿真仿真 Spice與與Saber靜電仿真靜電仿真 ANSYS多能域仿真等多能域仿真等B. 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損問題研究()振動、沖擊、噪

18、聲國家重點實驗室 摩擦系數(shù)的測量摩擦系數(shù)的測量微電機測量方法材料摩擦系數(shù)IC加工電機現(xiàn)場動摩擦法、啟動電壓法PolySilicon /Si3N40.18 0.38擺動電機動態(tài)模型實驗數(shù)據(jù)分析法PolySilicon/PolySilicon0.380.55LIGA電機懸臂梁/光纖偏轉(zhuǎn)平臺Ni/Alumina0.60 1.20線性步進電機摩擦測量儀PolySilicon /SiO20.501.10各種微電機摩擦系數(shù)各種微電機摩擦系數(shù)B. 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損問題研究()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在的磨損問題微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在的磨損問題 采用光滑環(huán)狀轉(zhuǎn)子、支撐結(jié)構(gòu) 采用滾動接觸代替滑動接

19、觸 采用LB膜、自組裝單分子膜(SAMS)等超薄膜 材料改性可提高材料的耐磨性能 采用Z-15和Z-DOL等多種PFPE潤滑劑 適當(dāng)濕度，加固磨損部位，清除磨損碎片 減磨方法與防護措施減磨方法與防護措施振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 微軸承動力潤滑問題研究() 氣體軸承模型氣體軸承模型超短靜壓徑向軸承模型超短靜壓徑向軸承模型彈性動壓徑向軸承模型彈性動壓徑向軸承模型流場模型流場模型: 動壓與靜壓動壓與靜壓推力軸承模型推力軸承模型徑向軸承模型徑向軸承模型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子-軸承模型軸承模型C. 微軸承動力潤滑問題研究()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室 超短靜壓氣體徑向軸承的尺度律超短靜壓氣體徑向軸承的尺

20、度律 C. 微軸承動力潤滑問題研究()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室 氣體軸承特性測試氣體軸承特性測試承載能力與轉(zhuǎn)速關(guān)系承載能力與轉(zhuǎn)速關(guān)系氣體軸承過臨界響應(yīng)氣體軸承過臨界響應(yīng)3.4 微旋轉(zhuǎn)機械的實驗檢測()AFM振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.4 微旋轉(zhuǎn)機械的實驗檢測()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室3.4 微旋轉(zhuǎn)機械的實驗檢測()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室Micro turbine概要概要 (Outline)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室微機電系統(tǒng)的基本概況微機電系統(tǒng)的基本概況MEMS動力學(xué)問題研究動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究微轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題研究若干動力學(xué)問題的研究若干動力學(xué)問題

21、的研究MEMS動力學(xué)研究展望動力學(xué)研究展望4 若干動力學(xué)問題的研究若干動力學(xué)問題的研究4.1 MEMS非線性動力學(xué)特性研究4.2 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性研究4.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力特性分析4.5 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力潤滑特性研究4.6 微旋轉(zhuǎn)機械可靠性評估與研究4.7 電磁微電機振動測試實驗分析振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.1 MEMS非線性動力學(xué)特性研究非線性動力學(xué)特性研究振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 微尺度下微尺度下MEMS壓膜阻尼特性分析壓膜阻尼特性分析()1()effnf K2212effa ap d加速釋放或減小

22、阻尼, 加工釋放孔 A. 微尺度下微尺度下MEMS壓膜阻尼特性分析壓膜阻尼特性分析()2.5rm4.0rm振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 靜電驅(qū)動靜電驅(qū)動MEMS耦合非線性動力特性分析耦合非線性動力特性分析() 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室VEFdyxk/2k/2cFixed platem)(tFkyycymE 220)()(2ydtVAEFyyFykyLWcsfdr323316動力學(xué)模型示意圖動力學(xué)模型示意圖B. 靜電驅(qū)動靜電驅(qū)動MEMS耦合非線性動力特性分析耦合非線性動力特性分析() 222002221123(1)22()rrVV A Azzddzdd振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B

23、. 靜電驅(qū)動靜電驅(qū)動MEMS耦合非線性動力特性分析耦合非線性動力特性分析()0( , )( )( )( )( )( )sqx x xxfxq te xp tft22642224369189*20161644(69)33T Vaaa aaa非線性馬休非線性馬休(Mathieu)(Mathieu)方程方程 幅頻關(guān)系幅頻關(guān)系 01;1;10 ,20 ,100dumVVVV振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室xxxxdk)(),(3221B. 靜電驅(qū)動靜電驅(qū)動MEMS耦合非線性動力特性分析耦合非線性動力特性分析() 交流電壓幅值交流電壓幅值 壓膜阻尼比壓膜阻尼比 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 壓電驅(qū)動

24、壓電驅(qū)動MEMS微懸臂梁振動控制微懸臂梁振動控制(),(),(),(),(),(222222txfACEIxtxMttxwttxwxtxwxP振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 壓電驅(qū)動壓電驅(qū)動MEMS微懸臂梁振動控制微懸臂梁振動控制()1( , )( )( )Niiiw x t x q t2ijjijjijjjjm qn qk qQR V21212222222221020( )( )( )( )01010( )( )( )( )( )( )( )( )( , )(ppbbbbjppjb biibbbbbbbbLx Aijijij AxLxCijijij AxLxd xE Id xE Id x

25、d xij A AdxdxdxdxxLj Ajj Am x x dx x x dxn x x dx x x dxkdxdxQf x t dtRC 21)()jx x222012222( , )( , )( , )( , )()()( , )bbbbw x tw x tw x tE IC AC V x t xx xxf x ttxxt)()(3212*1*eebybyhygu 線性化反饋控制線性化反饋控制振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 壓電驅(qū)動壓電驅(qū)動MEMS微懸臂梁振動控制微懸臂梁振動控制()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 壓電驅(qū)動壓電驅(qū)動MEMS微懸臂梁振動控制微懸臂梁振動控制()N

26、umber of mode12345678910Beam without PZT12.69779.853126.93224.49441.63442.13735.29788.661106.31332.7Beam with PZT12.97780.168127.13223.41439.09450.74732.09785.571106.31356.5Relative error2.21%3.94%0.16%-0.48%-0.58%1.95%-0.44%-0.39%01.79%振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 壓電驅(qū)動壓電驅(qū)動MEMS微懸臂梁振動控制微懸臂梁振動控制() 無阻尼無阻尼有阻尼有阻尼不同

27、位置不同位置不同電壓不同電壓高增益觀測器高增益觀測器5021 bb221 bb振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.2 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性研究 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 摩擦磨損的尺度效應(yīng)1/201/21(/ )( /)1(/)msm neeWmsWLLL LLL1/21/201/21/21(/)1(/ )1(/ )1(/)mmdWsppmmdsWLLLLLLLL*(2)/2,()1(/ ),()1(/ )mdDdKempiricalLLKKfractalLL彈性彈性塑性塑性振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 微轉(zhuǎn)子樞軸摩擦磨損特性分析 ()Rhrdrp

28、TFRhrdrpTF0hrdrpTF00bRR平端樞軸模型平端樞軸模型錐型樞軸模型錐型樞軸模型球型樞軸模型球型樞軸模型模型模型簡圖簡圖線磨損率線磨損率體積磨損率體積磨損率摩擦力矩摩擦力矩00tantan12 1tantanTMFR1/23/25322cot3VKPNR1/21/2(2 tan )()hKPNR12TMFR23V KPNRhKPNR001 cos1 coshbR 330000323coscos23coscos3VbR00.5sinTMFR振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 微轉(zhuǎn)子樞軸摩擦磨損特性分析 ()錐型樞軸錐型樞軸球型樞軸球型樞軸樞軸類型樞軸類型線磨損率線磨損率體積磨損率體

29、積磨損率摩擦力矩摩擦力矩C. 微轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損特性分析 ()SEM photo of a micro-motor with 12/8 (stator/rotor) polesRef.: S. F. Bart, M. Mehregany, L. S. Tavrow, J. H. Lang, S. D. Senturia, Electric micromotor dynamics, IEEE Transactions on electron devices 39(3) 1992 566-575.bpRWRbG0RGTbHBearingStatorRotorHemispherical bushin

30、gSubstrateGround plane 研究背景研究背景振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 微轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損特性分析 () 滑行磨損模型滑行磨損模型WRGround planeWear trackRotor bushingFxyzhpF00bbRbRBushingGround planevzyF 有限元模型有限元模型02sin3wbRMR001 cos1 cosbhbR 330000323coscos23coscos3bVbR振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室C. 微轉(zhuǎn)子軸襯摩擦磨損特性分析 ()線磨損率線磨損率體積磨損率體積磨損率摩擦力矩摩擦力矩不同半徑的半

31、球型軸襯不同半徑的半球型軸襯接觸壓力接觸壓力D. 微轉(zhuǎn)子的材料選擇 (),FunctionGeometricMaterialpfrequirements Fparameters Gproperties M ( ,)pf F G M 性能指標(biāo)性能指標(biāo)(Performance index) 123( )( )()pf Ff GfM功能要求功能要求幾何參數(shù)幾何參數(shù)材料參數(shù)材料參數(shù)主要功能：主要功能：載荷電壓、旋轉(zhuǎn)速度、驅(qū)動力、存儲能量、電阻率、機械質(zhì)量因載荷電壓、旋轉(zhuǎn)速度、驅(qū)動力、存儲能量、電阻率、機械質(zhì)量因 子、斷裂、摩擦磨損、粘附、振動沖擊等子、斷裂、摩擦磨損、粘附、振動沖擊等 材料特性：材料特

32、性：彈性模量、密度、斷裂強度、殘余應(yīng)力、電阻率、固有阻尼等彈性模量、密度、斷裂強度、殘余應(yīng)力、電阻率、固有阻尼等 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室D. 微轉(zhuǎn)子的材料選擇 ()1fM2M 材料性能關(guān)系材料性能關(guān)系 彈性模量與斷裂強度彈性模量與斷裂強度 彈性模量與密度彈性模量與密度振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究()12122212122111222212122122221211(1)(1)22211(1)(1)(2)()2 ()() ()xaPE ERRLEEPE EzRRLEEazazza az 21222121221221212211221112(1)(1)2

33、 ( )(1)(1)()( )()E E aRREEp x R REEE ERRp xa21(1)(1)izixiizE 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型121z2z1w2wx xy yz z1O2OO1R2Rbody1body1body2body21S2SS 接觸壓力接觸壓力 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 接觸應(yīng)變接觸應(yīng)變Mathematic model振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室Vol. (V)1st pair2nd pair3rd pairMin MaxMin MaxMin Max1000.050.05560.11390.12660.13460.14962000.10.11110.22780.25320.2691

34、0.29913000.150.16670.34180.37990.40370.44874000.20.22220.45560.50640.53820.5982 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 接觸應(yīng)變接觸應(yīng)變4.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究()振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究() 微尺度效應(yīng)的影響微尺度效應(yīng)的影響 接觸壓力接觸壓力 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 接觸應(yīng)變接觸應(yīng)變CxCzCz2PLCaptions:L -Scale factor; C-Constant; 有限元模型有限元模型 Rotor-to-bearing-hub FE model振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.

35、3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究() 接觸壓力、應(yīng)力與應(yīng)變接觸壓力、應(yīng)力與應(yīng)變 0.3 0 (a)(a)(b)(c)(b)(c)Notes:(a)-Von Mises stress(b)-Von Mises strain(c)-contact pressureApplied voltage U=100V振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究() 摩擦系數(shù)的影響摩擦系數(shù)的影響 最大最大 Von Mises應(yīng)力應(yīng)力 最大接觸壓力最大接觸壓力 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 動力學(xué)模型動力學(xué)模型 碰摩力分析碰摩力分析1cossin(

36、)()1sincosnnXrnYFFXkuuuFFY cossin0()sincos0nXYFFuFF rkkcmMicro -rotor微轉(zhuǎn)子模型微轉(zhuǎn)子模型碰摩力模型碰摩力模型振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 摩擦機理分析摩擦機理分析Dry friction mechanismAdhesionDeformationElasticPlasticRough surfaceMultiple asperitiesSingle asperityNumericalFractalStatistical振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析(

37、)2 /21(2)/2012(2)/21(/)12/1/1(/)DDDsdnaDWWssLLldLLLLlaLL 摩擦模型摩擦模型()()0()0nrnnnFkuuFFFuF庫侖摩擦模型庫侖摩擦模型微尺度分形摩擦模型微尺度分形摩擦模型()()0()0nrnnFkuuFf FFuFnadsdp振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 運動學(xué)方程運動學(xué)方程 碰摩狀態(tài)碰摩狀態(tài)22/22022/22012(1)() cos(1)12(1)() sinnnxxxxy y xyyyyxy x xy 無碰摩狀態(tài)無碰摩狀態(tài)222 cos(1)2 sinxxxyyy 振動、沖擊、噪

38、聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 無碰摩狀態(tài)無碰摩狀態(tài) 穩(wěn)定性與分岔行為穩(wěn)定性與分岔行為43224(24)410 Routh-Hurwitz判據(jù)判據(jù) 240432432100b b b b b43221222214222212220142444 (4)8(44)(4)(4)AAAAAAAbbbbffbffff4222212220(44)(4)(4)0AAAAbffff特征方程特征方程 碰摩狀態(tài)碰摩狀態(tài)分岔條件分岔條件 特征方程特征方程 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 穩(wěn)定性與分岔行為分析穩(wěn)定性與分岔行為分析715.5 10/krN

39、 m3em6/cN s m3em2em0.26f 阻尼阻尼-頻率比頻率比 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)-頻率比頻率比 定轉(zhuǎn)子間隙定轉(zhuǎn)子間隙-頻率比頻率比 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室注注: (1) 穩(wěn)定區(qū)；穩(wěn)定區(qū)；(2) 不穩(wěn)定區(qū)；不穩(wěn)定區(qū)；(3) 不穩(wěn)定區(qū)，但解是穩(wěn)定的不穩(wěn)定區(qū)，但解是穩(wěn)定的振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 非線性動力學(xué)行為非線性動力學(xué)行為 轉(zhuǎn)速的影響轉(zhuǎn)速的影響 1.83.03.553.750.025 0.5 /1sWLL/0.9WL L1.9D 10.01 20.1 0.5 0.025 0.5 4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 偏心量的影

40、響偏心量的影響微尺度分形摩擦模型微尺度分形摩擦模型庫侖摩擦模型庫侖摩擦模型0.90 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 阻尼系數(shù)的影響阻尼系數(shù)的影響/1sWLL/0.9WL L1.1D /1sWLL/0.9WL L1.9D /1000sWLL/0.6WL L1.9D /1000sWLL/0.9WL L1.9D 4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 分形尺度的影響分形尺度的影響/0sWLL/1sWLL(a) D=1.2; (b) D=1.6振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.4 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩動力學(xué)特性分析() 尺度長度的影響尺

41、度長度的影響/0sWLL1.1D /0sWLL1.6D /1sWLL1.6D /0.1sWLL1.9D 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.5 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力潤滑特性研究微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力潤滑特性研究振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 階梯滑行軸承潤滑特性分析階梯滑行軸承潤滑特性分析()For Kn0.001, the continuum hypothesis is appropriate and the flow can be analyzed using the Navier-Stokes equations For 0.001Kn10, the continuum approach break

42、s down completely and the regime can be described as being a free molecular flow Continuum flowFree molecule flowSlip flowTransition flowKnudsen number41031011010210振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 階梯滑行軸承潤滑特性分析階梯滑行軸承潤滑特性分析()階梯型軸襯示意圖階梯型軸襯示意圖RotorBushingShieldShaft(bearing)Stator0hbL0hstephstepxrrUxyz1x1y2x2y靜電微電機橫截

43、面示意圖靜電微電機橫截面示意圖 階梯滑行軸承模型階梯滑行軸承模型振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室)(12)(6)()(33hhUtxyphyxphx連續(xù)流區(qū)連續(xù)流區(qū)Reynolds方程方程 高階滑流速度邊界條件高階滑流速度邊界條件 )()()(33! 3322!222wyuwyuwyuwallgasuu)()66()66(22232223PHKHKPHKHKPHXYPPHnnYXPPHnnXwyuwyuslipu)()(222!222滑流速度滑流速度 修正的修正的Reynolds方程方程 A. 階梯滑行軸承潤滑特性分析階梯滑行軸承潤滑特性分析() 修正的修正的Reynolds方程方程振動、沖擊、

44、噪聲國家重點實驗室Non-dimensional flow rate versus the inverse Knudsen number A. 階梯滑行軸承潤滑特性分析階梯滑行軸承潤滑特性分析()Non-dimensional flow rate versus the inverse Knudsen number under the effects of gas rarefaction and roughness 流動速率輪廓流動速率輪廓振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室A. 階梯滑行軸承潤滑特性分析階梯滑行軸承潤滑特性分析() 壓力分析壓力分析Bearing number=50; X_step=

45、0.4L Bearing number=10 承載能力承載能力Relation between load carrying capacity with spacing振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析() 滑流邊界條件分析滑流邊界條件分析2222 2134slipuuuzz2222 2134slipvvvzz222 212 2314 223312 223zpuzhzhRxhpvzhzhy 一階滑移速度邊界條件一階滑移速度邊界條件 氣體分子運動示意簡圖氣體分子運動示意簡圖 偏心量偏心量 0.50.9努森數(shù)努森數(shù) 0.0110.053 (0.011

46、0)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析() 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型3232446nnphK hphK hppRphxxyyx 微轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)子-氣體軸承模型氣體軸承模型 修正修正Reynolds方程方程振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析() 數(shù)值計算分析數(shù)值計算分析1,1,1,11,1,2,22223221,1,1,1,1,11,1,281311241222ijiji ji jijijni ji jijijijiji ji jijijnPPPPPPKHHPPHHHPPPPPPPPKHH ,1,1221,1

47、,240i ji jijijnPPPPKHH/200/200( , ) 1 cos( , ) 1 sinL RnL RtWPd dWPd d 壓力分布壓力分布 承載能力承載能力數(shù)值計算網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值計算網(wǎng)格劃分 振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析()0.9 壓力分布壓力分布 無滑流情況無滑流情況0.9 61 10rpm 51 10rpm 0.6 0.3 61 10rpm 61 10rpm 0.9 有滑流情況有滑流情況B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析() 偏心量對承載能力的影響偏心量對承載能力的影

48、響振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室B. 徑向氣體軸承潤滑特性分析徑向氣體軸承潤滑特性分析() 轉(zhuǎn)速對承載能力的影響轉(zhuǎn)速對承載能力的影響振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室4.6 微旋轉(zhuǎn)機械可靠性評估與分析微旋轉(zhuǎn)機械可靠性評估與分析DesignformicromotorreliabilityFailure modesFailure mechanisms Contamination Friction and Wear Stiction and Fracture electronic interference Contact Surface forces Adhesive an

49、d abrasive Intrinsic and applied stressStudying methodsSolving methods(1) experimental methodsObservation, test, measurement, etc. (2) Numerical methods Model: parallel-plate, MPPM model, etc. Analysis: FEM, FVM, BEM, etc. Simulation: VHDL-AMS, ANSYS, etc.(1) Materials (silicon dioxide etc.)(2) Reasonable designs (LIGA