摘 要

微机电系统(MEMS)是由微型传感器、微型机械结构、微执行器、高性能电子集成器等有机组合的微小型系统。MEMS正广泛应用于军事、航空航天、汽车行业、医疗等领域，正是由于其成本低、体积小、功效高等特点。可是，目前国内外很少有对MEMS器件的综合和优化设计方法相关领域的研究，通常是运用遗传算法、退火算法等自然模拟算法。然而自然模拟算法的缺点在于反复分析次数过多，计算迭代周期长，处理效率不是很高，因此，有必要研究和开发出更为合理有效的综合和优化设计方法。本文致力于了解和掌握基本面向于MEMS的设计方法，并力争提出新方法，然后建立平台仿真模型。本论文的主要内容包括：(1)研究MEMS设计综合方法；(2)研究MEMS优化设计方法。

本文的主要工作如下：

1. 基本面向MEMS设计方法，主要有自顶向下、自底向上、中间相遇三种设计方法，自顶向下系统设计方法，是从系统的顶端，逐步分支，朝更小的功能模块方向的设计，这种设计方法能够做到纵观全局，对整体方案可随时进行调整优化，但是开发周期太长，复杂度较高；自底向上的设计方法与自顶向下设计方法设计方向相反，它是从局部到整体的设计理念，这种方法有助于了解各个子系统的附加需求，估测整个系统的设计费用，但是难做到系统数据的一致性，可能最终的设计结果偏离了预先设计需求；而中间相遇法相较于前面两个方法，既做到了让设计和工艺与系统保持着紧密联系，又做到了各个功能模块的设计，契合了系统设计要求。
2. 基于微机电系统设计的综合和优化方法的研究。本文介绍了将综合方法转化为基于最小二乘法的优化方法，以及解决非线性问题进行迭代求解的同伦法。通过查阅资料，了解到前辈们对微机电系统的优化设计，通常是采用遗传算法、退火算法、差分进化算法等自然模拟算法，可是这些计算方法缺点在于样本需求多，计算效率不高。近些年来，学术界为了解决多学科交叉的复杂系统设计问题，提出了多学科设计优化方法。
3. 微机电系统的设计包括了电子机械领域的相关知识，子系统或器件涉及到电、热、力等多方面知识，研究和开发出适合微机电系统设计分析和仿真工具显得尤为重要。

关键词：微机电系统；设计综合；优化设计；

Abstract

Micro electro mechanical system (MEMS) is a micro system composed of micro sensors, micro mechanical structures, micro actuators, high performance electronic devices and so on. MEMS is widely used in military, aerospace, automotive, medical and other fields, precisely because of its low cost, small size, high efficiency. However, there are few studies on the synthesis and optimization design methods of MEMS devices at home and abroad. It is usually used in the natural simulation algorithm, such as genetic algorithm and annealing algorithm. However, natural simulation algorithm has the drawback lies in the repeated analysis of too many times, long cycle iterative computation, processing efficiency is not very high. Therefore, it is necessary to research and develop a more reasonable and effective synthesis and optimization design method. This paper is devoted to the understanding and mastering of the basic design methods for MEMS, and strive to put forward a new method, and then build the platform simulation model. The main contents of this paper include: (1) research MEMS design synthesis method; (2) research MEMS optimization design method.

The main work of this paper is as follows:

1. The basic MEMS oriented design method, mainly to meet three kinds of design method of top-down, bottom-up,meet-in-the-middle. Top-down system design method, is from the top of the system, branch, step by step in the direction of the smaller function module to design. this design method can achieve overall, the overall solution of the optimization can be adjusted at any time. however, the long development cycle, high complexity; bottom-up design approach and top-down design method are on the contrary, it is from local to the overall design concept, this method is helpful to understand the additional requirements of each subsystem, cost estimate of the whole system design, but difficult to achieve data consistency of the system data, the final design results deviate from the design requirements in advance; and meet in the middle method compared to the previous two methods, not only do make design and process Maintain close contact with the system, and achieve the design of each function module, which corresponds to the system design requirements.
2. Study on the synthesis and optimization method based on the design of micro electro mechanical system (MEMS) . In this paper, the synthesis method is transformed into the optimization method based on the least square method, and the homotopy method is presented to solve the nonlinear problem. Through access to information, learned predecessors optimization design,it is usually using genetic algorithm and annealing algorithm, poor natural evolutionary algorithm simulation, but these computational methods shortcomings in sample requirements, computational efficiency is not high. In recent years, in order to solve the multidisciplinary cross design problem of complex system, the multidisciplinary design optimization method is proposed.
3. MEMS design includes knowledge of electronics and machinery industry, subsystem or device related to electricity, heat, power, and so on many aspects of knowledge, research and development for MEMS design analysis and simulation tools is particularly important.

Key words: micro electro mechanical system; design synthesis; optimization design;

目 录

第1章 绪论 1

1.1微机电系统概述 2

1.1.1微机电系统的基本组成 2

1.1.2微机电系统的特点 2

1.1.3微机电系统的应用领域 2

1.2微机电系统设计和分析 4

1.2.1设计方法 4

1.2.2设计内容 6

1.3微机电系统综合和优化设计 7

1.3.1微机电系统设计综合方法 8

1.3.2微机电系统优化设计方法 9

第2章 微机电系统基于器件的分析方法 12

2.1概述 12

2.2节点分析法 12

2.2.1节点分析法概述 12

2.2.2微机电系统节点分析法 13

2.3修正节点分析法 13

2.4分析方程与算法 13

第3章 微机电系统基于器件的设计综合 14

3.1微机电系统设计综合概述 14

3.1.1微机电系统设计 14

3.1.2设计综合的概念 15

3.1.3设计综合的数学模型 15

3.1.4设计综合的求解方法 16

第4章 微机电系统基于器件的优化设计 16

4.1微机电系统基于器件的优化设计概述 16

4.1.1基于器件的优化设计数学模型 16

4.1.2优化方法 16

第5章 总结与展望 17

5.1论文内容总结 17

5.2未来展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1959年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman 提出了微型机械的设想^[1]，这便是微机电系统这一概念的最初来源。1962年产生了第一个硅微型压力传感器，为微机电系统技术打开了大门。1987年，美国加州伯克利分校设计并制造出了世界上第一个硅微型马达，象征着微机械技术时代的到来。微机电系统(MEMS)是集微传感器、微型机构、微执行器、控制及信号处理电路、电源及通信接口等于一体的微型电子机械系统^[3]。微机电系统技术是一门新兴的多学科交叉技术，涵盖了力、电、光、热、材料等多门学科，正因为其体积小、成本低的特点，使得微机电系统技术越来越受到国内外的青睐，拥有非常广阔的应用前景。

但因为力的小尺度效应以及多物理场耦合影响^[4]，使得基于微机电系统的性能分析仿真、设计综合与优化设计存在非常大的挑战性，目前国际上已有很多关于分析仿真方法的研究和相关软件，但适用于微机电系统的设计综合和优化设计方法少之又少。因此，为了微机电系统能够实行大批量地生产，从而实现产业化的目标，提高微机电系统设计综合和优化设计的水平，具有非常大的理论意义和现实意义。

设计综合其实可以看成是分析仿真的逆过程：分析仿真是指预先给定系统结构设计的参数后通过分析计算出系统的性能行为，设计综合过程是预先给出系统运作时的实际性能数值，再通过计算方法求解出系统性能参数值。优化设计方法是在综合设计的基础上，在给定条件限制下，求出系统构造的设计参数，使系统的某些性能状态(如温度、形变、位移、频率、应变力等)达到最优化。综合与优化设计的方法对于微机电系统的基础研究来说意义重大。