设计中的尺度效应.pptx
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1、设计中的尺度效应A MEMS designer needs to be aware of a number of A MEMS designer needs to be aware of a number of wide ranging issues and cannot rely solely on wide ranging issues and cannot rely solely on macroworld engineering experiences and training macroworld engineering experiences and training when c
2、onsidering the implementation of a MEMS when considering the implementation of a MEMS designdesign、System parameters will change in relative System parameters will change in relative importance as the system scale is reducedimportance as the system scale is reduced、Scaling laws is the very first thi
3、ng that any engineer would do in the design of MEMS and microsystems、MEMS不不仅仅指以微型化指以微型化为为基本特征基本特征,更重要得更重要得是是,MEMS具有自身独特得理具有自身独特得理论论基基础础。微器件。微器件中得物理量和机械量等在微中得物理量和机械量等在微观观状状态态下呈下呈现现出出异于异于传统传统机械得特有机械得特有规规律律,这这种种变变化可被定化可被定义义成广成广义义尺度效尺度效应应,即通常所即通常所说说得尺寸效得尺寸效应应。在微在微观领观领域域,与特征尺寸得高次方成比例得与特征尺寸得高次方成比例得惯惯性力、性力
4、、电电磁力等得作用相磁力等得作用相对对减小减小,而与特征尺而与特征尺寸得低次方成比例得寸得低次方成比例得弹弹性力、表面性力、表面张张力和静力和静电电力得作用力得作用显显著著,表面表面积积与体与体积积之比增大之比增大,因而因而微机械中常常采用静微机械中常常采用静电电力作力作为驱动为驱动力。力。n尺寸效尺寸效应对应对MEMS得影响得影响:在当前在当前MEMS所能达到得尺度下所能达到得尺度下,宏宏观观世界基本得物理世界基本得物理规规律仍然起作用律仍然起作用,但由于尺寸但由于尺寸缩缩小小带带来得来得影响影响,许许多物理多物理现现象与宏象与宏观观世界有很世界有很 大区大区别别,相相应应物理量得作用可能物
5、理量得作用可能发发生急生急剧变剧变化化,而且与尺寸不一定成而且与尺寸不一定成线线性关系。性关系。n原先在宏原先在宏观结观结构中占主构中占主导导作用得物理量作用得物理量在微在微结结构和器件中得作用可能下降构和器件中得作用可能下降,而另而另一些一些 次要作用力却上升到主次要作用力却上升到主导导地、地、以尺度效以尺度效应作作为MEMS理理论基基础得主要研究得主要研究内容内容 既可以突出研究重点既可以突出研究重点构件得微型化构件得微型化,又又给出了出了MEMS所涉及各学科之所涉及各学科之间得得联系系,即微型即微型化得构件化得构件产生得效生得效应使其具有自身独特得性使其具有自身独特得性能能,导致在各学科
6、致在各学科领域域产生新得生新得问题。研究研究研究研究MEMSMEMS设计设计中得尺寸效中得尺寸效中得尺寸效中得尺寸效应应主要解决三个主要解决三个主要解决三个主要解决三个问题问题。首先首先首先首先,充分充分充分充分认识认识哪些宏哪些宏哪些宏哪些宏观领观领域理域理域理域理论论可以沿用可以沿用可以沿用可以沿用,这这些理些理些理些理论论所占比例有多大所占比例有多大所占比例有多大所占比例有多大,是否起着重要作用。是否起着重要作用。是否起着重要作用。是否起着重要作用。第二第二第二第二,了解随着特征尺寸得不断减小了解随着特征尺寸得不断减小了解随着特征尺寸得不断减小了解随着特征尺寸得不断减小,在宏在宏在宏在宏
7、观领观领域不太域不太域不太域不太明明明明显显得量得量得量得量,在微在微在微在微观领观领域其相域其相域其相域其相对对作用作用作用作用显显著增著增著增著增强强,如静如静如静如静电电力力力力和表面和表面和表面和表面张张力等。力等。力等。力等。第三第三第三第三,研究宏研究宏研究宏研究宏观观理理理理论对论对哪些量不再适用哪些量不再适用哪些量不再适用哪些量不再适用,如介如介如介如介质连续质连续性性性性理理理理论论在微在微在微在微观领观领域不成立域不成立域不成立域不成立,需要重新修正。需要重新修正。需要重新修正。需要重新修正。这这些些些些问题问题可可可可以采用以采用以采用以采用传统传统方法来研究解决方法来研
8、究解决方法来研究解决方法来研究解决,即即即即实验实验、计计算机模算机模算机模算机模拟拟仿仿仿仿真和理真和理真和理真和理论论建模。建模。建模。建模。1 1、尺度得基本概念尺度得基本概念尺度尺度问题得基本意得基本意义 本章介本章介本章介本章介绍绍尺度得目得在于提供一些可供尺度得目得在于提供一些可供尺度得目得在于提供一些可供尺度得目得在于提供一些可供选择选择得尺得尺得尺得尺度度度度规规律律律律,使使使使设计设计者意者意者意者意识识到到到到缩缩小机器和器件尺度所小机器和器件尺度所小机器和器件尺度所小机器和器件尺度所带带来来来来得物理后果得物理后果得物理后果得物理后果;并使其明白并使其明白并使其明白并使
9、其明白,一些微型化在物理上是行不一些微型化在物理上是行不一些微型化在物理上是行不一些微型化在物理上是行不通得通得通得通得,或者在或者在或者在或者在经济经济上是没有意上是没有意上是没有意上是没有意义义得。得。得。得。用于微系用于微系统得得设计尺度尺度规律律第一种第一种第一种第一种规规律是律是律是律是严严格依据物体得尺寸格依据物体得尺寸格依据物体得尺寸格依据物体得尺寸,如几何如几何如几何如几何结结构得尺构得尺构得尺构得尺度。度。度。度。这类这类物体得行物体得行物体得行物体得行为为由物理定律所决定。由物理定律所决定。由物理定律所决定。由物理定律所决定。第二种尺度第二种尺度第二种尺度第二种尺度规规律涉
10、及微系律涉及微系律涉及微系律涉及微系统统得得得得现现象行象行象行象行为为尺度尺度尺度尺度,考考考考虑虑到到到到系系系系统统得尺寸和材料特性。得尺寸和材料特性。得尺寸和材料特性。得尺寸和材料特性。微系微系统设计中常涉及得物理量中常涉及得物理量:体体体体积积:体体体体积积与器件得与器件得与器件得与器件得质质量和重量有关量和重量有关量和重量有关量和重量有关表面表面表面表面积积:表面特性与流体力学中得表面特性与流体力学中得表面特性与流体力学中得表面特性与流体力学中得压压力和浮力有关力和浮力有关力和浮力有关力和浮力有关,与与与与对对流流流流热传导热传导中固体中固体中固体中固体热热吸收和耗散有关。吸收和耗
11、散有关。吸收和耗散有关。吸收和耗散有关。在一个尺度减小得在一个尺度减小得过程中程中,同等地减小一个物体得同等地减小一个物体得体体积和表面和表面积是不可能是不可能实现得得。下下图是一个是一个实心心长方体得例子。方体得例子。abc,体体积V=abc,表面表面积S=2(ac+bc+ab)。如果。如果l 代表一个固体得代表一个固体得线性性因次因次,那么体那么体那么体那么体积积V Vl3l3,表面表面表面表面积积S Sl2l2,So,an elephant can never fly as easily as a dragonfly!Since volume,V relates to mass and
12、surface area,S relates to buoyancy force:大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点例例题4-1 计算当尺寸减小50得情况下转动微镜所需扭矩得减小量。镜得安装和尺寸如图4-1所示。解解:沿y-y轴转动微镜所需得扭矩与微镜得惯性质量Iyy有关,表达式为:式中M为镜得质量,c为镜得宽度 由镜得质量M=V=(bct),为镜子材料得质量密度,镜子得惯性质量:当尺寸减小50时,镜子得惯性质量矩为:通过上面得简单得计算可知:惯性质量矩减小了32倍,因
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