MEMS设计中的尺度效应ppt课件.ppt
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1、为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益第第4章章 MEMS设计中的尺度效应设计中的尺度效应Scaling laws of MEMS尺度的基本概念尺度的基本概念刚体动力学中的尺度刚体动力学中的尺度静电力中的尺度静电力中的尺度电磁力中的尺度电磁力中的尺度电学尺度问题电学尺度问题流体力学的尺度问题流体力学的尺度问题热传递的尺度问题热传递的尺度问题为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益A MEMS designer needs to be awar
2、e 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 considering the implementation of a MEMS
3、when considering the implementation of a MEMS design.design.System parameters will change in relative System parameters will change in relative importance as the system scale is reduced.importance as the system scale is reduced.Scaling laws is the very first thing that any engineer would do in the d
4、esign of MEMS and microsystems.为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益MEMS不仅指以微型化为基本特征不仅指以微型化为基本特征,更重要更重要的是的是,MEMS具有自身独特的理论基础具有自身独特的理论基础。微。微器件中的物理量和机械量等在微观状态下器件中的物理量和机械量等在微观状态下呈现出异于传统机械的特有规律呈现出异于传统机械的特有规律,这种变化这种变化可被定义成广义尺度效应可被定义成广义尺度效应,即通常所说的尺即通常所说的尺寸效应。寸效应。在微观领域在微观领域,与特征尺寸的高次方成比例
5、的与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小惯性力、电磁力等的作用相对减小,而与特而与特征尺寸的低次方成比例的弹性力、表面张征尺寸的低次方成比例的弹性力、表面张力和静电力的作用显著力和静电力的作用显著,表面积与体积之比表面积与体积之比增大增大,因而微机械中常常采用静电力作为驱因而微机械中常常采用静电力作为驱动力。动力。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益尺寸效应对尺寸效应对MEMS的影响:在当前的影响:在当前MEMS所能达到的尺度下,宏观世界基所能达到的尺度下,宏观世界基本的物理规律仍然起作用,但由于
6、尺寸本的物理规律仍然起作用,但由于尺寸缩小带来的影响,许多物理现象与宏观缩小带来的影响,许多物理现象与宏观世界有很世界有很 大区别,相应物理量的作用可大区别,相应物理量的作用可能发生急剧变化,而且与尺寸不一定成能发生急剧变化,而且与尺寸不一定成线性关系。线性关系。原先在宏观结构中占主导作用的物理量原先在宏观结构中占主导作用的物理量在微结构和器件中的作用可能下降,而在微结构和器件中的作用可能下降,而另一些另一些 次要作用力却上升到主导地次要作用力却上升到主导地.为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益以尺度效应作为以尺度
7、效应作为MEMS理论基础的主要研理论基础的主要研究内容究内容 既可以突出研究重点既可以突出研究重点构件的微型化构件的微型化,又给又给出了出了MEMS所涉及各学科之间的联系所涉及各学科之间的联系,即微即微型化的构件产生的效应使其具有自身独特型化的构件产生的效应使其具有自身独特的性能的性能,导致在各学科领域产生新的问题。导致在各学科领域产生新的问题。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益研究研究研究研究MEMSMEMS设计中的尺寸效应主要解决三个问题。设计中的尺寸效应主要解决三个问题。设计中的尺寸效应主要解决三个问题。设
8、计中的尺寸效应主要解决三个问题。首先首先首先首先,充分认识哪些宏观领域理论可以沿用充分认识哪些宏观领域理论可以沿用充分认识哪些宏观领域理论可以沿用充分认识哪些宏观领域理论可以沿用,这些理这些理这些理这些理论所占比例有多大论所占比例有多大论所占比例有多大论所占比例有多大,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,了解随着特征尺寸的不断减小了解随着特征尺寸的不断减小了解随着特征尺寸的不断减小了解随着特征尺寸的不断减小,在宏观领域不在宏观领域不在宏观领域不在宏观领域不太明显的量太明显的量太明显的量太明显的量,在微观领域其相对作用显著增强在微观领域其相对
9、作用显著增强在微观领域其相对作用显著增强在微观领域其相对作用显著增强,如静如静如静如静电力和表面张力等。电力和表面张力等。电力和表面张力等。电力和表面张力等。第三第三第三第三,研究宏观理论对哪些量不再适用研究宏观理论对哪些量不再适用研究宏观理论对哪些量不再适用研究宏观理论对哪些量不再适用,如介质连续如介质连续如介质连续如介质连续性理论在微观领域不成立,需要重新修正。这些问性理论在微观领域不成立,需要重新修正。这些问性理论在微观领域不成立,需要重新修正。这些问性理论在微观领域不成立,需要重新修正。这些问题可以采用传统方法来研究解决题可以采用传统方法来研究解决题可以采用传统方法来研究解决题可以采用
10、传统方法来研究解决,即实验、计算机即实验、计算机即实验、计算机即实验、计算机模拟仿真和理论建模。模拟仿真和理论建模。模拟仿真和理论建模。模拟仿真和理论建模。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益1.尺度的基本概念尺度的基本概念尺度问题的基本意义尺度问题的基本意义本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺度规律,使设计者意识到缩小机器和器件尺度所度规律,使设计者意识到缩小机器和器件尺度所度规律,
11、使设计者意识到缩小机器和器件尺度所度规律,使设计者意识到缩小机器和器件尺度所带来的物理后果;并使其明白,一些微型化在物带来的物理后果;并使其明白,一些微型化在物带来的物理后果;并使其明白,一些微型化在物带来的物理后果;并使其明白,一些微型化在物理上是行不通的,或者在经济上是没有意义的。理上是行不通的,或者在经济上是没有意义的。理上是行不通的,或者在经济上是没有意义的。理上是行不通的,或者在经济上是没有意义的。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益用于微系统的设计尺度规律用于微系统的设计尺度规律第一种规律是严格依据物体
12、的尺寸,如几何结构第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度,考第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度,考第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度,考第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度,考虑到系统的尺寸和材料特性。虑到系统的尺寸和材料特性。虑到系统的尺寸和材料特性。虑到系统的尺寸和材料特性。为了规范事业单位聘用关系
13、,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益微系统设计中常涉及的物理量微系统设计中常涉及的物理量:体积:体积与器件的质量和重量有关体积:体积与器件的质量和重量有关体积:体积与器件的质量和重量有关体积:体积与器件的质量和重量有关表面积:表面特性与流体力学中的压力和浮力有表面积:表面特性与流体力学中的压力和浮力有表面积:表面特性与流体力学中的压力和浮力有表面积:表面特性与流体力学中的压力和浮力有关关关关,与对流热传导中固体热吸收和耗散有关。与对流热传导中固体热吸收和耗散有关。与对流热传导中固体热吸收和耗散有关。与对流热传导中固体热吸收和耗散有关。在一
14、个尺度减小的过程中,同等地减小一个物体在一个尺度减小的过程中,同等地减小一个物体的体积和表面积是不可能实现的的体积和表面积是不可能实现的。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 下图是一个实心长方体的例子。下图是一个实心长方体的例子。abc,体积,体积V=abc,表面积,表面积S=2(ac+bc+ab)。如果。如果l 代表一个固体的线代表一个固体的线性因次,性因次,那么体积那么体积那么体积那么体积V Vl l3 3 ,表面积表面积表面积表面积S Sl l2 2 ,为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经
15、济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益So,an elephant can never fly as easily as a dragonfly!Since volume,V relates to mass and surface area,S relates to buoyancy force:为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益例题例题4-1 计算当尺寸减小50的情况下转动微镜所需扭矩的减小量。镜的安装和尺寸如图4-1所示。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事
16、业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益解:解:沿y-y轴转动微镜所需的扭矩与微镜的惯性质量Iyy有关,表达式为:式中M为镜的质量,c为镜的宽度 由镜的质量M=V=(bct),为镜子材料的质量密度,镜子的惯性质量:为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益当尺寸减小50时,镜子的惯性质量矩为:通过上面的简单的计算可知:惯性质量矩减小了32倍,因此当尺寸减小50时,转动镜子所要求的转矩也减小了32倍。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法
17、权益2.刚体动力学中的尺度刚体动力学中的尺度Trimmer力尺度向量为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益Trimmer力尺度向量力尺度向量 Trimmer提出一个代表力尺度的矩阵(通称为力尺度向量F),这个矩阵与描述系统运动尺度的加速度a、时间 t 和功率密度 P/V0 等参数有密切关系。力尺度向量定义为为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益根据上式可得加速度an时间t为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位
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