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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭聰敏
研究生(外文):Tsung-Min Kuo
論文名稱:微熱動式雙層懸臂樑之尺寸最佳化分析
論文名稱(外文):Optimal dimension analysis of thermal bimorph microcantilever
指導教授:陳榮盛陳榮盛引用關係
指導教授(外文):R.S. Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:160
中文關鍵詞:最佳化微機電微熱動式雙層懸臂樑
外文關鍵詞:MEMSthermal bimorph microcantileveroptimization
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本文係針對微熱動式雙層懸臂樑(Thermal bimorph microcantilever),利用ANSYS有限元素分析軟體,評估最佳熱電阻尺寸配置方式,並分析所有參數變化與輸出行為間之關係,最後,利用最佳化方法,在合理之設計變數變化範圍內,找出各種不同目標下之最佳設計。
研究結果顯示,維持多晶矽熱電阻斷面積與電阻值固定的前提下,即適當調整熱電阻厚度並以長度之變化補足電阻差值,將可獲得兼顧端點位移與輸出力之最佳熱電阻尺寸設計。而在最佳熱電阻尺寸配置與固定電壓差輸入下,改變微懸臂樑上下層材料之寬度與厚度,將對熱量傳遞與結構勁度之影響甚鉅,進而造成不同之端點位移與輸出力,故分析結果將有助於微熱動式雙層懸臂樑整體特性的瞭解。最後,對寬度相同與寬度不同兩種分析形式進行最佳化分析。由於各種不同目標下之最佳化分析皆有不同結果,因此,可根據設計使用上之要求,選擇符合需要的分析形式,以獲得最佳的設計。
This thesis focuses on thermal bimorph microcantilever. By using the finite element software, ANSYS, evaluating the best dimension arrangement of heat resistance and analyzing the correlations between all parameters and output results. Eventually, attain the optimal designs of different objective under the reasonable ranges of design variables with optimization method.
The research results demonstrate that the best heat resistor dimension arrangement concerning tip deflection and output force could be achieved on the premise of sustaining the cross-section area of poly-silicon heat resistor and resistance value, that is, adequately adjusting the thickness of heat resistor and compensate the difference of resistance value by moderating the length of heat resistor. Under the best heat resistor afore-mentioned, changing the width and thickness of bottom and top layer of microcantilever will drastically affect the heat transform phenomenon and stiffness of entire structure. Furthermore, resulting in different tip deflection and output force. The results are of great help to clarify the features of whole thermal bimorph microcantilaver. And concludes the research with optimizing the microcantilever with two analytic styles. Because different optimal goals result in different results, the optimal design can be reached by choosing the most suitable analytic style under the required specification.
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅸ
符號說明 ⅩⅤ
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3文獻回顧 2
1-4研究方法 3
1-5章節提要 4
第二章 理論基礎 6
2-1 研究主題 6
2-2熱變形理論 6
2-3 熱彈性變形理論 7
2-3-1應力與應變 8
2-3-2 那維爾控制方程式 10
2-3-3降服理論 11
2-4結構有限元素分析 15
2-5電熱理論 21
2-5-1電阻值計算 22
2-5-2熱傳導理論 22
2-5-3熱對流理論 23
2-5-4熱能平衡理論 23
2-5-5電-熱轉換 24
2-6振動理論 26
2-7輸出力計算理論 28
2-8最佳化分析理論 29
2-8-1最佳化原理 30
2-8-2次維近似法 32
2-8-3收斂要求 36
第三章 模型建立與評估 42
3-1模型建立 42
3-1-1 微熱動式雙層懸臂樑 42
3-1-2基本假設條件 43
3-1-3邊界條件與負載 44
3-2 ANSYS有限元素分析軟體 44
3-3實際分析模式 47
3-3-1等效對流係數計算 48
3-3-2輸入電壓大小的取決 48
3-3-3實際模式分析結果 49
3-4簡化分析模式 49
3-4-1等效均勻溫度計算過程 50
3-4-2結構變形分析 50
3-5模型分析驗證 50
第四章 多晶矽熱電阻熱源分析與評估 64
4-1多晶矽熱電阻分析 64
4-1-1電阻值的計算 64
4-1-2不同型式的設定 65
4-2分析結果的比較與評估 66
4-3微熱動式雙層懸臂樑使用範圍之評估 69
第五章 微熱動式雙層懸臂樑尺寸變化之評估 86
5-1參數變化設定 86
5-2分析結果探討 87
第六章 微熱動式雙層懸臂樑之最佳化分析 105
6-1最佳化分析 105
6-1-1設計變數的設定 105
6-1-2狀態變數的設定 108
6-1-3目標函數的設定 108
6-1-4分析形式 109
6-2端點位移最佳化分析 109
6-3輸出力最佳化分析 111
6-4基本自然頻率最佳化分析 113
6-5限制條件下之最佳化分析 115
6-5-1最佳化設計範圍 115
6-5-2限制條件的設定 116
6-5-3分析結果 116
第七章 結論 152
7-1結論 152
7-2未來研究方向 157
參考文獻 158
參考文獻
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