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MEMS器件开发包括从设计要求的提出、设计到产品的试生产和测试运行,对其进行建模仿真得到整个系统的行为特征,能使得MEMS设计的一些错误和不足在其设计的早期开发阶段就能发现。而MEMS仿真的关键是获取和构造合适的MEMS系统模型。MEMS建模仿真融合了包括结构、电子、流体以及数学和编程等多个学科的知识,对于不同物理场的共同仿真,方法之一是通过不同物理场专用仿真器的耦合,通常仿真器的耦合采用互相调用以及交换数据文件的方式,但是每一个仿真器对物理域的描述都使用了专门的语言和求解技术,使得其结果和算法由一个物理域转到另一个非常困难,导致计算效率的降低。如何实现在统一的建模环境下构建MEMS直观、精确、高效仿真模型一直是微结构建模仿真的一大难题。
本论文以典型微结构为研究对象,为提高建模效率、缩短仿真时间,实现MEMS器件模型的统一性,就典型微结构的建模方法展开了系统而深入的研究:
(1)为解决微结构模型直观、描述方式兼容、动态性能解析的高精度要求,提高微结构的建模效率以及计算速度,借鉴软件工程学面向对象开发技术,首次提出了面向对象的微结构建模方法,对同种物理域组件以及不同物理域之间的耦合方式进行了深入的研究,并考虑到功能组件和端口组件的耦合,解决了多种建模方法的统一问题,并基于一种面向对象的建模语言对各种物理域进行了定义和描述。
(2)为提高微机械陀螺建模效率以及模型的再利用,论文在详细分析微结构的各物理域基本组件库以及功能元件的基础上,深入探讨各种组件建模方法。针对不同抽象层次的组件具备不同的设计方法,增加了模型理想化的灵活性,提供了一种模型精度与计算时间的权衡途径。同时,不同物理域和不同抽象层次模型在统一仿真环境下进行仿真,为实现其多物理场工作环境的表征、复杂动态性能的仿真及其结构拓扑形态的设计等工程化目标提供了可能。
(3)以一种微陀螺为例对面向对象的MEMS典型结构建模方法进行了说明,分析微陀螺的基本原理及其简化的动力学模型,阐述这种微陀螺中存在的基本组件,最后建立在典型MEMS器件一振动型微机械陀螺结构建模仿真中的应用。
(4)为实现在典型MEMS器件一体化再设计软件平台中的应用,搭建微结构快速分析模块。自动辨识用户输入模型,识别各种输入输出条件,快速获取系统响应。在模块的用户友好方面,提供了各种数据的显示功能,包括线条、图像以及动画。另外还提供数据存储功能。
最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。