表面微机械加工技术是实现单片集成微光学系统的一种新方法。本文介绍一种新型的采用微机械加工技术的微型光学加速度计，包括设计、关键器件的加工和测试，它是基于光线和光闸相互作用引起通光量变化的工作原理。这一微光学加速度计包含一个2μm厚的多晶硅光闸，光闸采用微弹簧支撑在基片上，微弹簧是长度为200／μm的多品硅褶曲梁，硅基片和微结构之间所夹的牺牲层采用氢氟酸湿法刻蚀去除。光闸设计为一个质量弹簧系统，对加速度力产生响应。

静电驱动的微机械装置是许多微机电系统(MEMS)中的重要模块.根据微光机电系统(MOEMS)可编程相位光栅的设计思想,提出一种静电驱动的微机械元件(微梁)作为可编程光栅的基本结构元件,并以ANSYS软件的有限元分析为依据,对其结构模型作较深入的研究,探讨了各主要结构参数及控制电压对结构驱动性能的影响.结果表明,在设计尺度范围内,微梁主要结构参数按照对光带变形的影响大小排列分别为微梁厚度、微梁变形前与衬底间的距离及微梁长度.

针对微机电系统中常用单轴柔性铰链机构原始理论设计的复杂性,提出了简洁而准确的单轴柔性铰链设计计算方法.从基础理论出发推导出了柔性铰链刚度及转角设计公式,分析了柔性铰链设计中结构参数与性能的关系.通过一种压电驱动微动工作台设计实例分析了单轴柔性铰链机构在微机电系统中的应用.实践证明了该方法的简便、可靠与实效性.

为解释电容式微加速度计闭环系统零点不惟一的特殊现象,对其力学模型和电路特性进行理论分析,推导了闭环输出、零偏、零偏重复性、检测盲区宽度等公式,建立新的静平衡模型.通过零偏与预载的关系实验,定量分析了零偏不重合度、零偏重复性等,并对实验数据进行误差分析.该静平衡模型揭示了动齿的运动规律,证明检测盲区宽度和零偏重复性成正比,成功解释了两个零点问题.指出提高零偏重复性指标的方法,对于微机械结构的设计、预载的选择也具有指导意义.

微尺度下，压膜阻尼对微机电系统（MEMS）微结构功能特性有很大影响。从滑流效应、挤压效应和穿孔效应三个方面对平板间气膜阻尼进行理论分析，运用可压缩气膜的雷诺方程对由垂直运动产生压膜阻尼进行模型分析，详细介绍了线性Reynolds方程的多种近似解，建立了热流方程模拟的有限元分析模型，分别针对滑流、挤压和穿孔对气膜阻尼的影响进行了有限元模拟仿真及讨论，并与近似的理论结果进行对比，结果表明：滑流效应对压膜特性影响较大；增大孔径可以减小气膜阻尼和刚度系数，减小压膜阻尼对MEMS微结构的影响。

光栅平动式光调制器是基于MOEMS技术的新型光调制器,利用静电力驱动可动光栅对入射光进行调制,因其具有高速开关特性与面阵化等特点使其在显示与打印方面有广阔的应用前景。但是其结构相对复杂,本文通过建立光栅平动式光调制器的机电模型,并依据力学理论及虚功原理对器件的机械特性进行了相应的分析,得出器件的载荷挠度特性。并利用Coven-torWare软件进行相应的有限元仿真分析。仿真表明,在工作距离范围内,理论数据与仿真数据具有很好的拟合度,其平均误差在5%左右。

本文介绍的是一种基于微机电系统（MEMS）技术的表面型人工视网膜微电极阵列设计与仿真。电脉冲通过微电极刺激视网膜神经细胞,在大脑皮层视觉区域引起对应的特征电位反应,部分恢复患者的视觉。为研究表面型人工视网膜微电极阵列在人眼压力环境下的位移,特别设计了多种微电极阵列,进行了应力仿真。

为了测试和评定微构件的力学特性,建立了凸台-弹性膜结构的力学模型.将凸台-弹性膜结构化简为中心带有凸台的无限长薄板条结构,利用板壳理论得出了凸台的弹性模量、厚度和横截面积对弹性膜表面应力分布影响的解析计算公式,并通过有限元分析对计算结果进行仿真验证.理论分析和仿真结果吻合.凸台-弹性膜复合结构的等效弯曲刚度与凸台的弹性模量和厚度有关,当凸台的弹性模量和厚度增加时,凸台-弹性膜复合结构的等效弯曲刚度增大,可以通过增加凸台的弹性模量和厚度来提高凸台-弹性膜结构的强度.该研究为凸台-弹性膜结构的优化设计和应用提供了计算方法和设计依据.

针对微机电系统设计所存在的多学科交叉、周期长等问题 ,提出自顶向下设计与自底向上修正的双向微机电系统集成设计方法 ,将设计流程分为系统级、器件级和工艺级三个阶层 ;以微惯性器件为典型对象研究了各阶层的关键实现技术 ,并在此基础上构建微机电系统集成设计平台 ;所进行的硅微加速度计设计实例说明平台的设计流程可行 ,同时平台所具有的系统级。

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将基于解析法和基于数值计算的宏建模方法结合起来提取复杂器件的参数化宏模型,在此基础上实现MEMS系统级仿真.以z轴加速度计为例,在Saber中进行其系统级的时域、频域仿真,将仿真结果与有限元分析进行了比较,其仿真时间小于3min,相对误差小于3%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级仿真.