MEMS器件的优化设计

　　微机电系统(MEM S) 是尺寸从毫米到微米级的将电子元件和机械元件集成到一起的系统, 可以对微小尺寸进行敏感、控制、驱动, 单独或配合地完成特定的功能, 具有体积小、质量轻、成本低、能耗低、集成度高和只能化程度高等一系列特点。微加速度计是其中具有代表性的器件之一。它不仅成为高科技武器中微型惯性测量组合的核心元件, 在民用领域如航空、车辆等也有广泛应用前景。MEMS 系统具有电能、机械能、热能等多能量形式的多物理场系统, 加之微尺度效应的影响, 其分析和设计比单一能量形式的简单系统如结构系统和电路系统要复杂的多。随着微电子工业的迅速发展, 为实现MEM S的设计过程自动化, 对MEM S的分析、综合和优化技术提出了更高的要求[ 1]。

　　从1998 年开始, 美国加州大学伯克利分校的A. M.Agog ino教授研究团队开发了一个称作SUGAR[ 2] 的MEMS性能分析仿真软件, 是一些MATLAB计算程序的集成。该软件的性能分析基于节点分析法, 采用耦合微分方程组来描述M EMS, 可计算梁、锚、电容和电路元件等机电单元的静态、稳态、模态和瞬态分析。SUGAR的演示文件、最新版本和软件手册可从加州大学伯克利分校的伯克利传感器与执行器件中心( Berke ley Senso r and Ac tuator C enter)下载。

　　利用SUGAR 的分析功能, A. M. Agog ino研究团队开发了一些优化算法来解决MEM S器件的设计问题, 如N. Zhou和Y ing Zhang博士等采用遗传优化算法[ 3- 5] , Kama lian博士等采用退火优化算法[ 6] , 这些方法均可称为自然模拟优化算法。工程算例表明自然模拟算法对求解包括拓补变量在内的多设计变量设计综合问题是有效的, 但其计算工作量十分巨大。

　　M EMS的优化设计问题可以描述如下: 设计变量是物理特征参数和几何尺寸参数, 设计目标是使设计出的MEM S某些性能参数达到最优, 设计约束是设计变量取值范围限制和某些性能限制。

　　1 问题描述

　　加速度计是按照惯性原理相对惯性空间工作的。加速度( 即速度的变化率)本身很难直接测量, 实际上现有的加速度计都是借助敏感惯性力进行间接测量的。加速度计测量原理基于牛顿第二定律: 作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。换句话说, 加速度作用在敏感质量上形成惯性力, 测量该惯性力, 即可间接接测量载体受到的加速度。在惯性空问加速度计无法区分惯性力和万有引力, 因此加速度计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空问的合力,即惯性力与万有引力之和。惯性技术领域将单位敏感质量所受的力称为比力, 加速度计的输出直接反映比力, 因此加速度计也称作比力传感器[ 4, 7] 。