第4章 傳感器設計、建模與仿真

1、第4章 微傳感器設計、建模與仿真 微傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的幾何縮小。當結構尺寸達到微米甚至納米尺度以后會產(chǎn)生許多新的物理現(xiàn)象：物理法則不同。 若在兩個系統(tǒng)中有幾種同樣的因素在起作用，但各因素對系統(tǒng)影響的排序不同，則稱此兩個系統(tǒng)的物理法則不同。導致物理法則不同的原因有幾何（尺寸、形狀）的、物性的（材質(zhì)、場）和結構（幾何與物性耦合）的。通常說得最多的是尺寸原因，即尺寸效應。 系統(tǒng)行為不同。 當尺寸變小時，系統(tǒng)的運動易由連續(xù)轉為間歇、由平穩(wěn)轉為突發(fā)、由較易預測轉為較難預測。 設計、制造、檢測手法不同。 微傳感器的設計思想也和宏傳感器有很大差別。在進行微傳感器設計時應注意：a.充分發(fā)揮微傳感器集成

2、化程度高的優(yōu)勢，引入光、電、聲、磁等技術；b.微傳感器輸出的功率小，且其本身所能承受的力也?。◤姸炔蛔悖M量避免與外部世界直接進行耦合；c.對環(huán)境的要求嚴格。設計時要充分考慮外界環(huán)境如溫度、濕度、灰塵等的影響；d.輸出信號微弱，傳統(tǒng)的測量工具難以檢測，需開發(fā)新的實驗和測量設備；e.器件的縮小導致慣性小，熱容量低，易獲得高靈敏度和快響應，在建模、設計時需要考慮這些問題帶來的影響。4.1 微傳感器設計微傳感器設計圖4-1 微傳感器自頂向下設計流程4.1.1 尺度定律尺度定律典型微傳感器敏感單元尺寸在0.1m0.1mm之間，小尺寸能夠實現(xiàn)柔性支撐，帶來高諧振頻率和低熱慣性，減小占用空間。當尺寸縮小

3、到微米或納米量級時，各種作用力的相對重要性發(fā)生變化，會產(chǎn)生與宏觀世界有很大差別的微尺度現(xiàn)象。傳統(tǒng)機械做功則主要與體積力有關，而微結構中，靜電力表面力彈性力和粘性力慣性力、體積力及電磁力。尺寸越小，材料內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的可能性越小，機械強度提高越大。微傳感器材料的性能受加工工藝過程影響。誤差效應。加工誤差由加工方法引起，對于微傳感器結構，加工誤差與結構尺寸之比相對增大，致使微結構的性能受誤差影響較大。4.1.2 微動力學微動力學微傳感器動力學主要研究微傳感器在各種力作用下的運動狀態(tài)的定性和定量的變化規(guī)律。微傳感器的動力學行為與特征長度有關。在宏觀力學中，牛頓力學是建立動力學模型的基礎。而微觀，特別是

4、納米級微觀，牛頓力學失去作用。目前關于微傳感器的精密動力學分析還較缺乏，沒有基本的設計原則，甚至幾乎沒有輔助設計微傳感器的支持系統(tǒng)。對于敏感單元為原子和分子級的微傳感器，則需要應用量子統(tǒng)計動力學來描述。目前，多數(shù)微傳感器的敏感單元尺寸屬于微米級或亞毫米級，仍可以用牛頓力學指導其建模。也就是說介質(zhì)連續(xù)性等宏觀假設依然成立，有限元法，有限差分法，邊界元法等也適用于微傳感器的動力特性分析。4.1.3 微摩擦微摩擦 微摩擦特性微傳感器中，尺度的減小使得微傳感器中面力代替體力而占主導地位。因為微傳感器部件尺寸小，本身能提供的能量也很小，所以要在微傳感器設計中盡可能地降低摩擦損耗。微摩擦特征有： 微摩擦過

5、程產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象。實踐證明，驅動力弱造成MEMS中的摩擦副通常為極低速滑動，表面黏著效應得到強化，嚴重影響器件的正常運動。兩表面間隙處于納米量級時，表面力的作用使兩表面黏附在一起，造成MEMS器件運動失效，對器件的制造生產(chǎn)過程也會也會產(chǎn)生影響。宏觀中采用Bowdon和Tabor建立的黏著摩擦模型是否能應用在微觀中仍不確定。溫度影響摩擦。微摩擦過程中表面產(chǎn)生熱能，彈性模量、硬度以及潤滑性等都隨著溫度的升高而蛻化，反過來又加大摩擦，該種情況與宏觀摩擦有相似之處。宏觀摩擦定律為 ，而研究發(fā)現(xiàn)，在微觀中摩擦力與面積有關。微傳感器常利用摩擦力作為牽引力或驅動力（如驅動器或移動部件），此時要求摩擦力穩(wěn)定而且

6、可以實時控制。微傳感器表面潤滑微傳感器摩擦副之間的間隙通常處于納米量級，傳統(tǒng)的潤滑油潤滑會導致微摩擦副表面產(chǎn)生很大的粘滯力和剪切力，進而增大表面間摩擦系數(shù)和摩擦力矩。解決微傳感器的潤滑問題，須以界面上的原子和分子為研究對象，采用以分子膜為基礎的薄膜潤滑技術以達到減摩耐磨目的。 4.2 微傳感器建模微傳感器建模圖4-2 微傳感器建模層次4.2.1 相似等效法相似等效法相似等效法的基本思想是：首先從真實物理系統(tǒng)中提取一系列參數(shù)化模塊，由這些參數(shù)化模塊組成一個和原系統(tǒng)等效的模型系統(tǒng)。然后將這個模型系統(tǒng)送入仿真求解器中進行求解。最后對仿真結果進行分析比較，適當修改參數(shù)，再送入求解器中重新求解，使參數(shù)化

7、模型盡可能真實反映原物理系統(tǒng)。 4.2.2 分析力學建模分析力學建模分析力學作為理論物理的一個分支，是由法國數(shù)學家、物理學家拉格朗日集其大成的。他的巨著分析力學的問世，奠定了整個分析力學的基礎，標志著從牛頓力學借用圖形和運用形象思維處理力學問題的幾何方法向不用圖形而運用概括性的抽象思維處理力學問題的分析方法過渡的完成，開辟了力學的新紀元。分析力學包括兩個主要分支，一是拉格朗日方程或稱拉格朗日力學，二是哈密頓正則方程。分析力學方法處理力學體系運動問題時，拉格朗日方程是最具代表性的普遍適用的方程：簡言之，牛頓力學定律法需要建立笛卡爾坐標系，適合簡單系統(tǒng)的建模，仿真簡單。拉格朗日函數(shù)法建模需建立廣義

8、坐標系，適合復雜系統(tǒng)的建模，仿真困難。由于復雜系統(tǒng)是將來關注的主要問題，而拉格朗日函數(shù)法對復雜系統(tǒng)的建模有很大的優(yōu)越性，但仿真的困難，制約著它的廣泛應用，因此建模后的仿真是今后研究的重點，有一種好的仿真方法尤為重要。4.2.3 尺寸效應尺寸效應研究微傳感器設計中的尺寸效應的目標有三個方面：充分認識哪些宏觀領域理論可以沿用，這些理論所占比例較大，起著重要的作用；了解隨著特征尺寸的不斷減小，在宏觀領域不太明顯的量，其相對作用顯著增強，如靜電力和表面張力等；研究人員更為關心的是宏觀理論對哪些量不再適用，如介質(zhì)連續(xù)性理論在微觀領域不成立，需要重新修正。研究手段采用傳統(tǒng)方法，即實驗、計算機模擬仿真和理論

9、建模。4.2.4 耦合場建模耦合場建模多場耦合（Multiphysics problem）是由兩個或兩個以上的場通過交互作用而形成的物理現(xiàn)象，它在客觀世界和工程應用中廣泛存在。研究多場耦合現(xiàn)象的基礎是建立耦合模型，已有的研究大多在某些相對較小的領域內(nèi)建立數(shù)學模型并對之進行深入的理論分析。 電-熱耦合磁-熱耦合鐵磁體受熱受到磁場的作用后，在絕熱情況下會發(fā)生溫度上升或下降的現(xiàn)象，此為磁致熱效應。溫度對磁性的影響主要表現(xiàn)在改變鐵磁體的自發(fā)磁化強度。當溫度升高時，自發(fā)磁化強度隨溫度的變化而加大，溫度達到居里點時，自發(fā)磁化強度達到極大，此后自發(fā)磁化消失。熱-結構耦合電磁-結構耦合結構-流體耦合表現(xiàn)為流體

10、產(chǎn)生的壓力加到結構上，而結構產(chǎn)生的節(jié)點位移和速度加到流體上，這就是經(jīng)典的流固耦合問題。熱-流體耦合圖4-3 多場耦合關系的有向圖4.3 微傳感器仿真微傳感器仿真微傳感器的仿真就是用計算機模仿實際的微傳感器及其工作環(huán)境，使設計者能夠在相應系統(tǒng)未制造前就可以對其原型的性能進行仿真和模擬，以減少微傳感器的設計開發(fā)時間和費用。 4.3.1 專用專用MEMS CAD系統(tǒng)系統(tǒng)國外在90年代初就研究出了用于硅壓力傳感器設計的MEMS CAD軟件(CAD MEMS)。目前，國外已出現(xiàn)并商用化的MEMS系統(tǒng)級CAD軟件主要有IntelliSuite、MEMS Pro和CoventorWare。國內(nèi)主要有西北工業(yè)大學的MEMSGARDEN。4.3.2 Solidworks 3D建模軟件建模軟件設計人員可以使用SolidWorks設計MEMS結構，加以分析、生成掩模，并設計所有相關的產(chǎn)品封裝和裝配設備。Simulation是Solidworks公司推出的一套有限元分析軟件。它作為嵌入式分析軟件與Solidworks無縫集成。其基本模塊能夠提供廣泛的分析工具來檢驗和分析復雜零件和裝配體，它能夠進行應力分析、應變分析、熱分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析等。4.3.3 基于基于Co