微機電系統的案例
微機電系統多場耦合仿真分析
在微電子機械系統（ＭＥＭＳ）研究和設計中，微系統數值仿真分析是一個重要研究領域．本文對ＭＥＭＳ中多種能量場耦合問題的各種數值仿真分析方法進行了綜合評述．分析了該領域目前的研究現狀并指出了其今后的發展方向．
微機電系統多場耦合仿真分析.pdf
VirtualLab Fusion：在一個微鏡激光掃描系統中鏡像差對光束質量的影響
概括案例
1.系統細節
? 光源
- 綠色激光二極管
? 元件
- 基于單掃描微鏡的激光掃描系統，例如MEMS（微機電系統）
? 探測器
- 光線可視化檢查（3D顯示）
- 場分布和相位計算
- 光束參數（M2值，發散角）
? 建模/設計
- 光線追跡：首先概覽系統性能
- 場追跡：
√ 光束傳播包含表面像差
√ 分析生成光束的形狀和質量
2.系統圖片
3.模擬和設計結果
鏡像差（由澤尼克多項式表示）：
4.總結
基于單掃描微鏡的激光掃描系統（例如MEMS）中的鏡像差進行建模和仿真。
1) 模擬
通過使用光線追跡方法驗證激光掃描設置
2) 建模
使用澤尼克標準界面來模擬靜態或動態形式的復雜鏡面像差
3) 分析
為了計算場分布和評價光束形狀和參數，應用經典場追跡引擎
復雜的系統，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過使用VirtualLab Fusion來模擬。此外，幾乎所有類型的表面變形都可以通過引入澤尼克像差到掃描鏡來模擬。因此，可以根據掃描的位置評估光束形狀和質量。
詳細案例
系統參數
1. 此案例的背景和目的
? 作為一個掃描鏡必須包含兩個掃描軸以及考慮一個更復雜的傾斜操作（傾斜的方向并不是獨立的）。
? 另外，將表面像差引入到掃描鏡，可以是靜態或動態類型。
? 因為澤尼克多項式非常適合描述幾乎所有類型的像差，它們可用于演示表面偏差。
2. 模擬鏡像差：澤尼克界面
? 為了模擬靜態或動態鏡像差，使用澤尼克界面。
? 通過使用澤尼克多項式，可以適當地插入任意相位或表面偏差。
展開 新研究：讓超透鏡與MEMS技術相互融合
導讀
近日，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室與哈佛大學的研究人員進行合作，首次將在光通信、生物成像、激光雷達（LIDAR）系統中廣泛應用的兩種技術：微機電系統（MEMS）和超透鏡結合到了一起，成功地制造出位于MEMS平臺頂層之上的超透鏡。
背景
昨天，《史上首次！科學家利用人工智能重構量子系統》一文中提到：科學家利用人工智能方法，探索量子物理世界的創新研究案例。其中，非常值得我們注意是：
這項研究將“量子物理”和“人工智能”這兩種前沿科技融合到了一起。
如今，多學科融合和跨學科創新已經成為一種新的科技發展趨勢。今天，筆者要介紹的創新研究案例，再一次的融合了兩個前沿科技領域：微機電系統和超透鏡。
首先，我們還是先簡單了解下相關背景知識。微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也稱為微電子機械系統、微系統、微機械等，是指尺寸在幾毫米甚至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。它是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。例如，之前筆者常介紹的芯片實驗室技術，就與MEMS技術密不可分。
超透鏡，是筆者最近經常提及和介紹的一門前沿技術。為了搞清楚超透鏡，就必須先了解超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）這兩個概念。
超材料，是通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性（例如：負磁導率、負介電常數、負折射率等）的復合材料。
在超材料基礎上，科學家開始進一步研究超表面。
展開 VirtualLab運用：在一個微鏡激光掃描系統中鏡像差對光束質量的影響
概括案例
1.系統細節
?光源
-綠色激光二極管
?元件
-基于單掃描微鏡的激光掃描系統，例如MEMS（微機電系統）
?探測器
-光線可視化檢查（3D顯示）
-場分布和相位計算
-光束參數（M2值，發散角）
?建模/設計
-光線追跡：首先概覽系統性能
-場追跡：
√光束傳播包含表面像差
√分析生成光束的形狀和質量
2.系統圖片
3.模擬和設計結果
鏡像差（由澤尼克多項式表示）：
4.總結
基于單掃描微鏡的激光掃描系統（例如MEMS）中的鏡像差進行建模和仿真。
1)模擬
通過使用光線追跡方法驗證激光掃描設置
2)建模
使用澤尼克標準界面來模擬靜態或動態形式的復雜鏡面像差
3)分析
為了計算場分布和評價光束形狀和參數，應用經典場追跡引擎
復雜的系統，如基于單微鏡的激光掃描儀可以通過使用VirtualLab Fusion來模擬。此外，幾乎所有類型的表面變形都可以通過引入澤尼克像差到掃描鏡來模擬。因此，可以根據掃描的位置評估光束形狀和質量。
詳細案例
系統參數
1. 此案例的背景和目的
?作為一個掃描鏡必須包含兩個掃描軸以及考慮一個更復雜的傾斜操作（傾斜的方向并不是獨立的）。
?另外，將表面像差引入到掃描鏡，可以是靜態或動態類型。
?因為澤尼克多項式非常適合描述幾乎所有類型的像差，它們可用于演示表面偏差。
2. 模擬鏡像差：澤尼克界面
?為了模擬靜態或動態鏡像差，使用澤尼克界面。
?通過使用澤尼克多項式，可以適當地插入任意相位或表面偏差。
展開 
MEMS陀螺儀工作原理
微機電系統（MEMS）
IMU中使用的傳感器基本上都是微機電系統（MEMS），是半導體工業中非常重要的一個分支。
微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一種先進的制造技術平臺。微機電系統是微米大小的機械系統，是以半導體制造技術為基礎發展起來的。
我們的四軸飛行器上用到的加速度陀螺儀MPU6050，電子羅盤HMC5883L都是微機電系統，屬于傳感MEMS分支。傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。
加速器（G-sensors）
加速器可用來感測線性加速度與傾斜角度，單一或多軸加速器可感應結合線性與重力加速度的幅度與方向。含加速器的產品，可提供有限的運動感測功能。
加速度計的低頻特性好，可以測量低速的靜態加速度。在我們的飛行器上，就是對重力加速度g（也就是前面說的靜態加速度）的測量和分析，其它瞬間加速度可以忽略。記住這一點對姿態解算融合理解非常重要。
當我們把加速度計拿在手上隨意轉動時，我們看的是重力加速度在三個軸上的分量值。加速度計在自由落體時，其輸出為0。為什么會這樣呢？這里涉及到加速度計的設計原理：加速度計測量加速度是通過比力來測量，而不是通過加速度。
陀螺儀（Gyros）
陀螺儀是利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
陀螺儀可感測一軸或多軸的旋轉角速度，可精準感測自由空間中的復雜移動動作，因此，陀螺儀成為追蹤物體移動方位與旋轉動作的必要運動傳感器。
展開 應用于焊接裝置的用于保護氣體流量的傳感器應用方案
Siargo矽翔MF5000系列氣體質量流量計是矽翔微機電系統有限公司結合微機電系統（MEMS）流量傳感芯片技術和計算機自適應技術歷經多年，開發出的智能化全電子式氣體質量流量儀表，主要技術性能處于高水平，具有高靈敏度、高精度、大量程比等特點；針對工業環境，融合了多種抗干擾措施的電磁兼容設計；且具有多種信號輸出，能通過通訊接口實現網絡管理功能；本產品在性能、安裝和維護方面也具有其獨特的優越性，可廣泛應用于石油、燃氣、化工、冶煉、能源等各個領域。
MF5000系列Siargo矽翔流量計產品特點：
- 采用微機電系統芯片加工技術和大規模集成電路的生產技術及材料生長技術，傳感器的尺寸縮小到了微米量級，使該流量計的靈敏度大大提高。
- 在單個芯片上實現了多傳感器集成，使該流量計的量程比（范圍度）大大提高。
- 傳感器零點穩定度較之傳統熱式質量流量計有極大的改善。
- 結合二次儀表的微電腦智能技術，使流量計重復性好，實現了計量準確可靠。
- 技術進步帶來的結構簡化，使流量計較之傳統的機械式儀表，壓力損失大幅度減小，極大地降低了能源消耗。
- 采用LCD顯示"瞬時流量"和"累計流量"，清晰直觀，讀數方便。
- 產品融合了電磁兼容設計技術，具有更高抗干擾能力。
- 流量計帶有RS485通訊模塊，配合上位計算機網絡可實現集中管理。
- 可以選配4～20mA標準電流信號輸出。
展開 綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術研究進展
表1 納米熱界面計劃4個不同單位研發的新型材
料
1.2 基于微機電系統的導熱技術
微機電系統的概念早在1980年代就被提出，由于其在提供超低質量、尺寸和功耗及高集成度的器件方面具有良好的前景，微機電系統技術被認為在航天領域應用方面具有突出的優勢．
早期大多數研究機構主要聚焦于應用微機電系統技術的新型裝置的原理論證與闡述，而成功從概念性設計到實現成熟產品的技術則較少．文獻[
13
]報道了美國噴氣推進實驗室(jet propulsion laboratory，JPL)微機電系統技術小組的相關項目研究進展．
美國國防部先進研究項目局系列熱管理技術研發計劃之一的近結熱傳輸(near junction thermal transport，NJTT)也是基于微機電系統技術，該研發計劃的重點是利用高導熱性材料基板，結合與設備兼容的過渡層及其他主動或者被動冷卻技術，降低結構到外殼之間的熱
阻
．該計劃于2011年由美國國防部先進研究項目局發起，目標在于處理晶體管結100 μm內區域或“近結”區域的熱量傳輸問題．關于美國國防部先進研究項目局的近結熱傳輸計劃的研究進展和相關熱控技術的詳細介紹可參見文獻．
展開 計算機輔助工程（ＣＡＥ）的現狀和未來---（三）發展趨勢
從材料設計到工程/產品設計、集仿真、優化于一體的CAE系統
?隨著計算材料科學的發展，不遠的將來，計算機輔助于材料設計將會納入CAE軟件，實現從材料性能的預測、仿真，到構件與整個產品的設計、性能預測、系統仿真，形成集計算機輔助于材料設計、制備，到工程或產品的設計、仿真、優化于一體的新一代CAE系統。
微機電系統分析
?隨著多物理場、多相、多態介質耦合理論與亞微米、納米科學的發展，以及微機電系統開發的強烈需求，專門用于微機電系統設計計算和系統仿真的CAE 軟件正在開發，不久將會問世。
3.2 性能
?基于超級計算機和計算機群的并行計算CAE系統，
?基于網格計算的CAE系統，
?基于互聯網的集成化與支持協同工作的CAE系統
適應于超級計算機和機群并行計算CAE系統
?每秒千萬億次的計算機與機群系統即將誕生，適應這些大規模并行計算平臺的新型高精度和高效率算法正迅速發展。
?新一代的CAE系統將能夠解算上千萬階級方程組，能夠實現對復雜工程／產品的實時和真三維仿真。
基于網格計算的CAE系統
?互聯網已經將千萬臺各類計算機連接在一起，人們正在開發將互聯網上所有計算機硬件、軟件、數據庫以及連接的實驗設備統一和有效使用的網格計算技術。隨著這一技術的成熟，一定會出現基于網格計算的CAE系統
基于互聯網的集成化與支持協同工作的CAE系統
?隨著分布式對象集成技術和網格計算技術的發展，大型工程和復雜產品開發中實施并行工程，以及研究集團的聯合攻關，未來的用戶將不再需要單一的CAD、CAE、CAM、CAPP、PDM 和ERP產品，它們需要基于互聯網(JAVA)的、具有行業特色的、集成化與支持協同工作的的套裝系統。
展開 OOFELIE軟件介紹
仿真設計通常涉及結構、熱傳、機械、聲學與振動、壓電、熱阻、電流、流體、光學、微機電、電磁場等問題，這些物理場往往同時存在，相互影響。例如執行器、傳感器、微機電系統。
集成了有限元、邊界元、快速多級子算法的OOFELIE::Multiphysics仿真平臺能夠快速收斂和精確計算超大型多物理場耦合問題，減少設計周期，提高創新能力，是一款3D多物理FEA解決方案軟件。
2、主要特點
多物理場仿真求解
可以完成復雜電磁、傳熱、結構、流體、振動、聲學、光學耦合仿真問題的高效計算學耦合仿真問題的高效計算。
快速、精確計算
支持多種算法：有限元法（FEM）、邊界元（BEM）、有限體有限體積法（FVM）、快速多極子算法（FMM）。
支持FEM、BEM、FVM等算法直接耦合計算。
強耦合仿真計算
提供耦合單元，在單元節點、邊、面上都有多重自由度，允許各個物理場的本構方程在單元上耦合并同時求解。
3、OOFELIE::Multiphysics求解器功能：
l 傳感器，執行機構和微機電系統
l 光學機械系統和微光機電系統（MOEMS）
l 流固耦合應用
4、多物理場
OOFELIE
振動聲學
? 壓電設備
? MEMS
? 熱壓電器件
? 熱結構耦合
? 光熱機械耦合
? 電熱力耦合
? 電磁
? 多物理場
聯系我們
展開 二氧化碳氣體保護焊流量計FS4000系列應用方案
焊接氣體流量自適應控制系統是采用領先的微機電系統流量傳感器技術和智能電子控制技術，專為普通氣體流量監測開發的產品。該傳感器能直接測量氣體質量流量，低壓損。保護氣體主要包括二氧化碳（CO2）、氬氣（Ar）、氦氣（He）。
為此正確使用二氧化碳氣體保護焊流量計能夠保障焊接質量和安全，提高焊接效率的關鍵，二氧化碳氣體保護焊流量計是一種用于測量焊接過程中氣體流量的儀器，其工作原理基于渦輪流量計或者質量流量計原理。當氣體通過管道時，流量計會檢測氣體在管道中的速度，并轉換為氣體流量的數值。同時，流量計中配備的顯示器，可以讓焊工實時監測氣體流量的大小工采網氣體質量流量傳感器- FS4000系列采用的微機電系統流量傳感器技術和智能電子控制技術，為普通氣體流量監測開發的產品。該傳感器能直接測量氣體質量流量，低壓損。適用于凈化空氣或氮氣流量監控，還可用于環境采樣器(如色譜分析儀器等)。其中FS4003氣體質量流量傳感器，管道內徑為3mm，成本低測量范圍到5SLPM;適用于粒子計數器和各類分析儀器。FS4008氣體質量流量傳感器，管道內徑為8mm,測量范圍到50SLPM;可用于麻醉設備、潔凈氣體檢測，如:空氣采樣機，氣體分析儀等。
展開 氣體質量流量計在移動式防爆供氣柜流量監測中的應用方案
因此需要安裝氣體流量計，工采網美國Siargo 便攜式氣體質量流量計 -MF5700是基于矽翔微機電系統有限公司自主研制的MEMS流量傳感芯片，其原理是利用流動氣體傳熱傳質的依存關系，在其上、下游產生溫度變化而得到氣體的質量流量。
圖片26.png
該流量計同時實現熱源的產生與溫度的測量。當芯片處于工作狀態時，在傳感器的周邊形成穩定的溫度場分布。一旦一定質量的氣體流過傳感器時，氣體的流動將破壞該溫度場的分布，形成特定的、取決于該氣體的質量和速度的溫度場分布。微機電系統流量計芯片上的傳感器將測量這一變化并把這一變化轉換為電信號，由一個專門的電路變送器對此信號進行放大、調理并作線性化處理。由于不同質量的氣體對傳感器的周邊形成穩定的溫度場分布所產生的擾動不同，因而能測量氣體的質量流量或總流量。下圖為該系列流量計的原理框圖。
美國Siargo MF5700系列便攜式氣體質量流量計 參數：
展開 
FLOW3D介紹
在航空航天方面，宇宙飛船和航天飛機燃料傳送系統成功設計的關鍵在于燃料運動的控制，FLOW-3D?的自由表面處理能力與特殊的物理模型（表面張力、非慣性系、剛體動力系統）耦合在一起，使FLOW-3D?成為航空航天工程師必不可少的設計工具
在鍍膜方面，傳統上在研究鍍膜過程中，由于流體小尺寸的運動及與墻壁表面的附著力和表面張力的交互效應影響，必須通過許多復雜且昂貴的實驗才能得到較佳的生產參數。但現在可以借助FLOW-3D?的模擬技術已能大幅縮減實驗的次數與成本，提供適合的方法來分析這些影響。
在消費產品方面，在消費品的設計和制造過程中，自由表面的流動是非常普遍的一個問題，比如容器注水、浴室設備等。在這些設計上期望具有最低的消耗與最小的成本。通過FLOW-3D?使得這一類產品的設計更加簡單迅速，甚至在精密噴嘴及其它民生用品上的設計更趨完美。
在微噴墨頭方面，盡管無紙傳輸信息的時代在逐步的邁進，但高品質的、簡單、廉價的噴墨打印機仍具有很大的市場份額。隨著數碼相機的盛行，越來越多的消費者需求高品質的家用彩色打印機，促進了極高分辨率打印機的需求量。同時，也促使打印機的生產廠商結合國外的先進方法來設計更好的打印機，滿足消費者的需求。因此，遍及全世界的打印機制造廠家使用FLOW-3D?來改善產品的功能，比如使用FLOW-3D?來研究驅動力脈沖、噴嘴頭的形狀、表面張力系數等因素對噴射墨滴的形狀、尺寸和速度的影響。
在海運方面，使用FLOW-3D?來模擬油輪甲板下液體的晃動，也可模擬船在海上行駛時產生的波和計算水作用在船上的力。
在微機電系統方面，微機電系統技術象集成電路工業一樣正在迅猛地發展，這種技術將機械、流體、電控及光學設計集成在0.1微米到
1毫米
的設備上。
展開 FLOW-3D主要功能簡介！
在航空航天方面，宇宙飛船和航天飛機燃料傳送系統成功設計的關鍵在于燃料運動的控制，FLOW-3D?的自由表面處理能力與特殊的物理模型（表面張力、非慣性系、剛體動力系統）耦合在一起，使FLOW-3D?成為航空航天工程師必不可少的設計工具
在鍍膜方面，傳統上在研究鍍膜過程中，由于流體小尺寸的運動及與墻壁表面的附著力和表面張力的交互效應影響，必須通過許多復雜且昂貴的實驗才能得到較佳的生產參數。但現在可以借助FLOW-3D?的模擬技術已能大幅縮減實驗的次數與成本，提供適合的方法來分析這些影響。
在消費產品方面，在消費品的設計和制造過程中，自由表面的流動是非常普遍的一個問題，比如容器注水、浴室設備等。在這些設計上期望具有最低的消耗與最小的成本。通過FLOW-3D?使得這一類產品的設計更加簡單迅速，甚至在精密噴嘴及其它民生用品上的設計更趨完美。
在微噴墨頭方面，盡管無紙傳輸信息的時代在逐步的邁進，但高品質的、簡單、廉價的噴墨打印機仍具有很大的市場份額。隨著數碼相機的盛行，越來越多的消費者需求高品質的家用彩色打印機，促進了極高分辨率打印機的需求量。同時，也促使打印機的生產廠商結合國外的先進方法來設計更好的打印機，滿足消費者的需求。因此，遍及全世界的打印機制造廠家使用FLOW-3D?來改善產品的功能，比如使用FLOW-3D?來研究驅動力脈沖、噴嘴頭的形狀、表面張力系數等因素對噴射墨滴的形狀、尺寸和速度的影響。
在海運方面，使用FLOW-3D?來模擬油輪甲板下液體的晃動，也可模擬船在海上行駛時產生的波和計算水作用在船上的力。
在微機電系統方面，微機電系統技術象集成電路工業一樣正在迅猛地發展，這種技術將機械、流體、電控及光學設計集成在0.1微米到
1毫米
的設備上。
展開 Ansys機電系統行業方案概述
機電一
體化技術
介紹
現代社會中的機電一體化產品比比皆是。我們日常生活中使用的智能洗衣機、空調及全自動照相機，都是典型的機電一體化產品；在機械制造領域中廣泛使用的各種數控機床、工業機器人，也是典型的機電一體化產品；而汽車領域更是機電一體化技術成功應用的典范，目前汽車上已成功應用和正在開發的機電一體化系統達數十種之多，其中有發動機電子控制系統、汽車防抱死制動系統、全主動和半主動懸架系統等在汽車上的應用。
機電一體化是在傳統技術的基礎上由多種技術學科相互交叉、滲透而形成的一門綜合性學科，所涉及的技術領域非常廣泛：機械技術、檢測傳感、信息處理、自動控制、伺服驅動、電子技術等。
電驅動系統核心組成
機電一體化系統與控制設計
機電產品復雜性大，涉及多物理域、軟硬件集成。
除了仿真模型的要求，實際產品還會面臨開發成本（原型樣機的測試成本高昂，樣機出來前能否進行性能預測）、能否減少樣機測試次數、可靠性（發生故障時系統如何響應）、安全和電磁兼容性（EMC）認證等研發工程師需要考慮的問題。
所以，理想的機電系統仿真應該包含實際物理模型，并且可以將軟件代碼與硬件結構結合、進行這種多學科的仿真。
Ansys解決方案支持多種“多學科”集成方式
在Ansys解決方案中，系統仿真支持多種多學科的集成方式，Ansys Twin Builder軟件作為系統仿真集成的平臺，可以通過多種方式將多學科的物理模型集成到系統仿真平臺中。
展開 機電一體化系統設計手冊
機電一體化系統設計手冊
機電一體化系統設計手冊[1].part01.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part02.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part03.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part04.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part05.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part06.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part07.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part08.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part09.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part10.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part11.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part12.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part13.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part14.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part15.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part16.rar
機電一體化系統設計手冊[1].part17.rar
展開 