專利名稱：一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，尤其是涉及一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，在信息通訊、醫(yī)療生物、汽車等領(lǐng)域中，對(duì)微納尺度產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求與日倶增。研究微納結(jié)構(gòu)的集成化和復(fù)合化的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，對(duì)于提高生產(chǎn)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。 微納尺度產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于宏觀尺度產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，區(qū)別在于前者普遍涉及尺度效應(yīng)和多場(chǎng)耦合問(wèn)題。 一般將大于1mm的尺度稱為宏觀尺度，1 P m-lmm的尺度稱為微米尺度，O. lnm-100nm的尺度稱為納米尺度。宏觀尺度下采用的簡(jiǎn)化假設(shè)，難以用于微觀和納米尺度。尺度效應(yīng)涉及到物理系統(tǒng)的非均質(zhì)和非平衡特性。宏觀尺度下的均勻與平衡特性，在材料的物理尺度減少到微米量級(jí)時(shí)就不再保持。由此產(chǎn)生的問(wèn)題是難以確定微納結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致由于成本過(guò)高而不切實(shí)際的終端產(chǎn)品。微尺度效應(yīng)是指物理量隨著物體結(jié)構(gòu)尺寸微小而發(fā)生變化的自然現(xiàn)象。在微納尺度，與特征尺寸低次方成正比的作用力如摩擦力、靜電力、表面張力、粘性力、彈性力的作用相對(duì)增大，而與尺寸高次方成正比的作用力如慣性力、慣性矩、電磁力的作用相對(duì)減弱，因此衍生了新的學(xué)科群，以表征微納尺度的本構(gòu)關(guān)系，并相互滲透、交叉、延伸，使多場(chǎng)耦合成為微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然要求。微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各個(gè)不同階段的物理模型，可分別由不同類型的時(shí)間相關(guān)或無(wú)關(guān)的偏微分方程在給定的物理區(qū)域上描述，通過(guò)不同領(lǐng)域的場(chǎng)偏微分統(tǒng)一方程式模擬多場(chǎng)耦合。
可見(jiàn)，微納尺度產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)模、設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來(lái)越高，仿真與分析耗時(shí)已成為制約創(chuàng)新設(shè)計(jì)的瓶頸。另一方面，現(xiàn)有微納尺度產(chǎn)品設(shè)計(jì)大多是基于參數(shù)化單元庫(kù)的，難以實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)、非庫(kù)內(nèi)的復(fù)雜器件的直接的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，大大限制了產(chǎn)品的自主性和創(chuàng)新性。宏觀尺度設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)于微納尺度，特別是非標(biāo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為解決這一問(wèn)題，給出了一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方法。通過(guò)分解建模然后重新組裝，基于宏建模以支持非標(biāo)產(chǎn)品自主設(shè)計(jì)，一方面可克服已有的有限元、有限差分等方法的仿真過(guò)慢問(wèn)題，顯著提高系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)效率，另一方面可克服等效電路、集總參數(shù)等方法的只能對(duì)簡(jiǎn)單器件建立等效模型的問(wèn)題，顯著擴(kuò)展設(shè)計(jì)范圍。這對(duì)于快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微納尺度產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微納尺度下支持非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。隨著微納尺度產(chǎn)品應(yīng)用的廣泛化與需求的多樣化，非標(biāo)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高要求。為此，給出了一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。以精確模型和近似模型的交叉融合為特征，在支持多粒度宏建模的設(shè)計(jì)層次和流程框架的基礎(chǔ)上，通過(guò)器件的完備有限元模型的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)與組合，映射提取描述系統(tǒng)的整體矩陣，獲得系統(tǒng)的基于低階常微分方程組的精確模型。按列一維方式變帶寬存儲(chǔ)大型稀疏對(duì)稱矩陣，引入以數(shù)值擬合和矩陣降階為特征的等效近似方法，快速準(zhǔn)確獲得非標(biāo)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，連接器件級(jí)模型和系統(tǒng)級(jí)模型，不斷迭代實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。以數(shù)字光處理微鏡設(shè)計(jì)為例進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，表明本發(fā)明所提出的方法將局限于單元庫(kù)內(nèi)簡(jiǎn)單器件的設(shè)計(jì)拓展到支持復(fù)雜奇異非標(biāo)產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)，將依賴于單一軟件的設(shè)計(jì)拓展到支持異構(gòu)軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)，這對(duì)于提高微納尺度自主產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率具有重要意義。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案的步驟如下 第一步，通過(guò)非標(biāo)結(jié)構(gòu)的二維版圖及制造流程的定義文件獲取器件級(jí)非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)，或直接導(dǎo)入三維模型，在器件級(jí)中完成非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第二步，將非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格化，建立完備有限元模型，獲取設(shè)計(jì)模型的整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣及阻尼矩陣； 第三步，將網(wǎng)格模型的單元和單元的節(jié)點(diǎn)以離散點(diǎn)形式存儲(chǔ)，通過(guò)軟件間的導(dǎo)出導(dǎo)入接口 ，將有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)用于多粒度宏建模的計(jì)算中，選取模態(tài)為分析對(duì)象，以初始位置或試驗(yàn)載荷為輸入矢量，獲得非標(biāo)系統(tǒng)的輸出矢量； 第四步，基于輸入輸出矢量，通過(guò)Lagrange插值進(jìn)行多元多次多項(xiàng)式擬合，獲得系統(tǒng)級(jí)粗粒度模型； 第五步，設(shè)定上下邊界值，利用貢獻(xiàn)因子的判別準(zhǔn)則降階模型矩陣，計(jì)算最大輸出幅值大于上邊界對(duì)應(yīng)的基函數(shù)，小于下邊界則被忽略，將矩陣映射到低維空間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)矩陣的降階，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程迭代獲得緊致數(shù)值宏模型。 第六步，將仿真結(jié)果反饋到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析對(duì)象都滿足精度要求后，對(duì)下游輸出導(dǎo)出版圖，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)特點(diǎn)一是設(shè)計(jì)軟件的單元庫(kù)內(nèi)未包含的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其組合，二是多場(chǎng)耦合的解析模型難以獲取的三維結(jié)構(gòu)及其組合。 所述的完成非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有兩種生成方法一是由二維設(shè)計(jì)圖及生產(chǎn)制造工藝流程生成三維模型并進(jìn)行布爾運(yùn)算獲得，二是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件的導(dǎo)入接口從外部軟件獲得。 所述的建立完備有限元模型方法，具有整體的離散的體網(wǎng)格單元，載荷的施加位置和方向必須先確定，載荷的大小可以確定也可以不確定，載荷的邊界條件即約束必須確定。 5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的多粒度宏建模方法，基于輸入輸出矢量，通過(guò)Lagrange插值獲得系統(tǒng)級(jí)粗粒度模型，以二階微分方程組為細(xì)粒度模型，以近似模型和精確模型的交叉融合為特征，以數(shù)值模型代替解析模型并克服解析模型難以獲取的問(wèn)題。 所述的輸入輸出矢量獲取方法，在微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品施加激勵(lì)或觀測(cè)其初始條件作為輸入矢量，以設(shè)計(jì)分析參數(shù)的響應(yīng)值作為
輸出矢量。 所述的系統(tǒng)矩陣的降階方法，對(duì)大型稀疏矩陣的特征進(jìn)行約簡(jiǎn)，獲取關(guān)鍵特征矢量，提取設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵自由度，矩陣的階的降低是在滿足精度要求的前提下，為大幅度提高多場(chǎng)耦合的計(jì)算效率而進(jìn)行的。 所述的緊致數(shù)值宏模型獲取方法，通過(guò)滿足殘差要求控制設(shè)計(jì)精度，使得設(shè)計(jì)過(guò)程迭代，由粗精度到高精度，通過(guò)對(duì)自定義的上下邊界的逼近，獲取連接器件級(jí)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，用宏模型進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真以克服系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)表難以表達(dá)的問(wèn)題。
本發(fā)明具有的有益效果是 (1)通過(guò)多粒度宏建模支持非標(biāo)產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)?？朔朔菢?biāo)準(zhǔn)器件的組合建模的仿真難題，將局限于單元庫(kù)內(nèi)簡(jiǎn)單器件的設(shè)計(jì)拓展到支持復(fù)雜奇異非標(biāo)產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)。 (2)通過(guò)模型降階過(guò)程迭代獲取緊致數(shù)值宏模型。通過(guò)模型降階獲取數(shù)值宏模型滿足對(duì)復(fù)雜器件多粒度仿真的需求，在保證計(jì)算精度的前提下提高了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)效率，有利于滿足不同粒度的仿真需求。 (3)通過(guò)完備有限元模型支持異構(gòu)軟件協(xié)同設(shè)計(jì)。宏模型是以完備有限元模型為基礎(chǔ)的，數(shù)據(jù)具有高度相關(guān)性和異構(gòu)無(wú)關(guān)性，增強(qiáng)了該方法的開(kāi)放性，可通過(guò)異構(gòu)軟件進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，有利于擴(kuò)展設(shè)計(jì)能力并實(shí)現(xiàn)對(duì)已有設(shè)計(jì)資源的重用和共享。


圖1本發(fā)明所提出方法的主要設(shè)計(jì)流程。 圖2利用二維版圖生成三維模型時(shí)采用的制造工藝。 圖3本發(fā)明所提出方法實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖。 圖4數(shù)字光處理微鏡的有限元網(wǎng)格模型。 圖5描述數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)的大型稀疏對(duì)稱陣的維數(shù)降階。 圖6數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)的模態(tài)分析。 圖7設(shè)計(jì)出的3*7陣列的數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 如圖l所示，是本發(fā)明所提出方法的主要設(shè)計(jì)流程。從器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)之間的接口稱為宏建模。宏模型連接器件級(jí)模型和系統(tǒng)級(jí)模型。微納結(jié)構(gòu)建模層次可分為系統(tǒng)級(jí)、器件級(jí)和工藝級(jí)設(shè)計(jì)。 (1)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)面向用戶的要求，著重研究系統(tǒng)的整體行為特性和性能，包括產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、制定設(shè)計(jì)方案，為器件級(jí)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，將器件層獲得的宏模型集成到系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。 (2)器件級(jí)設(shè)計(jì)包括器件建模、工藝模擬、器件掩模版圖設(shè)計(jì)與綜合以及器件模擬等方面。根據(jù)器件的實(shí)體模型研究其行為特性和物理特性，主要完成微納結(jié)構(gòu)器件的實(shí)體設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化，為器件的工藝、版圖設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，并且可從中提取器件的行為模型，再進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的行為仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。
(3)工藝級(jí)設(shè)計(jì)器件加工前的最后一步，包括器件的掩模版圖和工藝流程設(shè)計(jì)，
基于實(shí)體模型的工藝定義，基于實(shí)體的版圖生成以及加工工藝仿真，提供加工工藝過(guò)程的
參數(shù)庫(kù)，如光刻工藝中的掩膜厚度、曝光時(shí)間，硅腐蝕過(guò)程中的腐蝕速度等。 如圖2所示，是本發(fā)明的利用二維版圖生成三維模型時(shí)采用的制造工藝。微納尺
度三維模型多通過(guò)體素的布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，2. 5維體積元素，介于二維平面與三維空間間。通過(guò)融合版圖和參數(shù)化過(guò)程描述實(shí)現(xiàn)基于體素的真實(shí)幾何模型創(chuàng)建，并對(duì)每一加工過(guò)程對(duì)應(yīng)的幾何模型可視化。使用虛擬制造技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)快照，在制造前執(zhí)行可制造性和釋放腐蝕檢驗(yàn)。 如圖3所示，是本發(fā)明所提出方法實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖。原型系統(tǒng)以美國(guó)Spatial公司的ACIS R13為幾何造型內(nèi)核，以Tech Soft America的H00PSV11. 0為協(xié)同可視化組件，采用Microsoft Visual C++, net 2003和Microsoft SQLServer 2000編程工具開(kāi)發(fā)，以拓展三維系統(tǒng)功能。原型系統(tǒng)采用多文檔多視圖架構(gòu)，通過(guò)多線程的事件機(jī)制和消息傳遞，增強(qiáng)各模塊的并行執(zhí)行能力；通過(guò)為一個(gè)文檔類對(duì)象添加多個(gè)視圖類對(duì)象，擴(kuò)展三維瀏覽能力。原型系統(tǒng)具有的功能有三維建模、導(dǎo)出幾何信息；支持面向制造的設(shè)計(jì)、導(dǎo)出加工信息；支持面向功能的復(fù)雜器件設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)；支持材料特性的數(shù)據(jù)庫(kù)。
如圖4所示，是本發(fā)明的數(shù)字光處理微鏡的有限元網(wǎng)格模型。通過(guò)網(wǎng)格劃分軟件獲得全部單元及節(jié)點(diǎn)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)接口可導(dǎo)入到原型系統(tǒng)中進(jìn)行處理。將離散點(diǎn)集導(dǎo)入到原型系統(tǒng)時(shí)，用SPAposition point[k]存儲(chǔ)離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)自帶劃分網(wǎng)格模塊進(jìn)行離散化時(shí)，可對(duì)point賦值并獲得賦值元素個(gè)數(shù)m(m《k+l)，若導(dǎo)入其它軟件的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)，可通過(guò)指針對(duì)point賦值，但m的獲取依賴于賦值過(guò)程，為此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化和抽象化操作，使用vector動(dòng)態(tài)數(shù)組容器類，即vector〈SPAposition〉point，通過(guò)容器迭代器泛型指針獲得m，使m的獲取獨(dú)立于賦值過(guò)程，僅依賴于數(shù)組本身，同時(shí)避免因m過(guò)大數(shù)組越界的問(wèn)題，增強(qiáng)系統(tǒng)的劃分網(wǎng)格的導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)的魯棒性。 所述的將器件三維模型體網(wǎng)格化方法是在三維模型的B-R印數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，基于Delaimay空間網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在所有曲面組成的封閉空間內(nèi)構(gòu)造離散網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
如圖5所示，是本發(fā)明的描述數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)的大型稀疏對(duì)稱陣的維數(shù)降階。采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，以縮小繪圖范圍，橫軸為計(jì)算的迭代步，縱軸為殘差的常用對(duì)數(shù)值。多粒度模型分為精確模型和近似模型，前者以解析化的參數(shù)化表達(dá)為核心，后者以數(shù)值化的等效降階為核心。以精確模型和近似模型的交叉融合為特征，以數(shù)值擬合和矩陣降階為特征的等效近似方法，快速準(zhǔn)確獲得非標(biāo)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，連接器件級(jí)模型和系統(tǒng)級(jí)模型，不斷迭代實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。多元多項(xiàng)式插值是利用給定的插值結(jié)點(diǎn)組和一個(gè)多元函數(shù)在結(jié)點(diǎn)處的函數(shù)(導(dǎo)數(shù))值構(gòu)造出一個(gè)多元多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)近似地表示這個(gè)多元函數(shù)，而在結(jié)點(diǎn)處這兩個(gè)函數(shù)取得相同的函數(shù)(導(dǎo)數(shù))值。運(yùn)用基于Krylov子空間的GMRES降階算法實(shí)現(xiàn)模型降階，從高精度模型推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)化的低精度模型，降低產(chǎn)品過(guò)程模型的階數(shù)或狀態(tài)維數(shù)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度。耦合場(chǎng)的有限元直接分析異常耗時(shí)，用降階建模方法對(duì)物理耦合系統(tǒng)進(jìn)行表達(dá)，快速和準(zhǔn)確獲得其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)?？芍杲５牧６炔煌?，系統(tǒng)級(jí)仿真獲得的輸入輸出關(guān)系也不同，最大范數(shù)殘差3. 3e-5滿足要求。
所述的降階方法，是指通過(guò)廣義極小剩余(GMRES， GeneralizedMinimalResiduals)利用在Krylov子空間中有著最小殘差的向量來(lái)逼近解，將系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為上Hessenberg矩陣，獲得降維矩陣，是將二階微分方程組轉(zhuǎn)化為線性方程組Ax = b進(jìn)行求解實(shí)現(xiàn)的，步驟如下 第一步，為求解Ax = b，初始化x(°)， A為系數(shù)矩陣；
第二步，求得初始?xì)埐頾 (°) = b-Ax(°); 第三步，迭代執(zhí)行第四步直到第j步的殘差o (J) < A ， A為自設(shè)定數(shù)值；
第四步，令x(j) G Xto)+K j(A， o to))，使第j步的殘差的模最小，即mi皿izel I 。 ("I |2，其中，第j步的Krylov子空間k j(A， 。 (°))是由一系列不斷生成的基組成，K j(A，。(。))三span{0 (。)，A。 (。)，A2。 (。)， ...，Aj—、 (。)}; 第五步，求張量空間k j(A， o (°))三Span{0 (°)，Ao (°)，A2o (°)， ...，Aj—、 (°)}的標(biāo)準(zhǔn)正交基； 第六步，根據(jù)多粒度降階的需要，選擇標(biāo)準(zhǔn)正交基中前幾階，投影構(gòu)成系數(shù)矩陣A的降階矩陣A'。 如圖6所示，是本發(fā)明的數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)的模態(tài)分析。在多粒度求解的迭代過(guò)程中，試驗(yàn)載荷包含2個(gè)等價(jià)于初始位置的靜電壓力的統(tǒng)一壓力載荷。單元載荷是沿Z方向的9.81m/V的加速度和統(tǒng)一的施加到微鏡上翼的lMPa壓力載荷。吸合電壓為796伏。扭轉(zhuǎn)模態(tài)是沿Z方向的橫向模態(tài)，使板扭曲的模態(tài)。獲得模態(tài)幅值和主位移隨電壓的變化。將獲得的宏模型用于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，獲得鏡面某點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化關(guān)系。以微鏡模態(tài)為設(shè)計(jì)分析對(duì)象，獲得第1階、第3階和第5階的固有頻率分別為39008HZ、59873HZ和243361HZ，其對(duì)模態(tài)賦值的貢獻(xiàn)率分別占81. 58% 、17. 27%和1. 09%。 如圖7所示，是本發(fā)明的設(shè)計(jì)出的3*7陣列的數(shù)字光處理微鏡系統(tǒng)。最終的微鏡結(jié)構(gòu)是在不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)上形成的，作為復(fù)雜微鏡陣列的一部分的微鏡單元，用于光偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)成的雙穩(wěn)態(tài)數(shù)字微鏡有非反射態(tài)和反射態(tài)。在非反射態(tài)中，微鏡離開(kāi)光路以允許光線通過(guò)。在反射態(tài)中，微鏡移動(dòng)或翻轉(zhuǎn)到光路中，通過(guò)反射改變光束方向。全部微鏡陣列包含多個(gè)單獨(dú)的被同步驅(qū)動(dòng)的微鏡帶，以獲得高速光偏轉(zhuǎn)。微鏡單元的每一條帶都通過(guò)兩個(gè)中間的撐柱連接到硅片表面。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通過(guò)微鏡面的多自由度滿足了不同的設(shè)計(jì)需求。
權(quán)利要求
一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于第一步，通過(guò)非標(biāo)結(jié)構(gòu)的二維版圖及制造流程的定義文件獲取器件級(jí)非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)，或直接導(dǎo)入三維模型，在器件級(jí)中完成非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二步，將非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格化，建立完備有限元模型，獲取設(shè)計(jì)模型的整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣及阻尼矩陣；第三步，將網(wǎng)格模型的單元和單元的節(jié)點(diǎn)以離散點(diǎn)形式存儲(chǔ)，通過(guò)軟件間的導(dǎo)出導(dǎo)入接口，將有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)用于多粒度宏建模的計(jì)算中，選取模態(tài)為分析對(duì)象，以初始位置或試驗(yàn)載荷為輸入矢量，獲得非標(biāo)系統(tǒng)的輸出矢量；第四步，基于輸入輸出矢量，通過(guò)Lagrange插值進(jìn)行多元多次多項(xiàng)式擬合，獲得系統(tǒng)級(jí)粗粒度模型；第五步，設(shè)定上下邊界值，利用貢獻(xiàn)因子的判別準(zhǔn)則降階模型矩陣，計(jì)算最大輸出幅值大于上邊界對(duì)應(yīng)的基函數(shù)，小于下邊界則被忽略，將矩陣映射到低維空間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)矩陣的降階，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程迭代獲得緊致數(shù)值宏模型；第六步，將仿真結(jié)果反饋到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析對(duì)象都滿足精度要求后，對(duì)下游輸出導(dǎo)出版圖，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于非標(biāo)產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)特點(diǎn)一是設(shè)計(jì)軟件的單元庫(kù)內(nèi)未包含的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其組合，二是多場(chǎng)耦 合的解析模型難以獲取的三維結(jié)構(gòu)及其組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的 完成非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有兩種生成方法一是由二維設(shè)計(jì)圖 及生產(chǎn)制造工藝流程生成三維模型并進(jìn)行布爾運(yùn)算獲得，二是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件的導(dǎo)入接口從 外部軟件獲得。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的 建立完備有限元模型方法，具有整體的離散的體網(wǎng)格單元，載荷的施加位置和方向必須先 確定，載荷的大小可以確定也可以不確定，載荷的邊界條件即約束必須確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的 多粒度宏建模方法，基于輸入輸出矢量，通過(guò)Lagrange插值獲得系統(tǒng)級(jí)粗粒度模型，以二 階微分方程組為細(xì)粒度模型，以近似模型和精確模型的交叉融合為特征，以數(shù)值模型代替 解析模型并克服解析模型難以獲取的問(wèn)題。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的 輸入輸出矢量獲取方法，在微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品 施加激勵(lì)或觀測(cè)其初始條件作為輸入矢量，以設(shè)計(jì)分析參數(shù)的響應(yīng)值作為輸出矢量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的系統(tǒng)矩陣的降階方法，對(duì)大型稀疏矩陣的特征進(jìn)行約簡(jiǎn)，獲取關(guān)鍵特征矢量，提取設(shè)計(jì)系統(tǒng) 的關(guān)鍵自由度，矩陣的階的降低是在滿足精度要求的前提下，為大幅度提高多場(chǎng)耦合的計(jì) 算效率而進(jìn)行的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的緊致數(shù)值宏模型獲取方法，通過(guò)滿足殘差要求控制設(shè)計(jì)精度，使得設(shè)計(jì)過(guò)程迭代，由粗精度 到高精度，通過(guò)對(duì)自定義的上下邊界的逼近，獲取連接器件級(jí)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，用宏模型進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真以克服系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)表難以表達(dá)的問(wèn)題。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微納尺度非標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)非標(biāo)結(jié)構(gòu)的二維版圖及制造流程的定義文件獲取器件級(jí)非標(biāo)三維結(jié)構(gòu)；建立完備的有限元模型，映射提取描述系統(tǒng)的整體質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，獲得系統(tǒng)級(jí)模型；選取模態(tài)為分析對(duì)象，以初始位置或試驗(yàn)載荷為輸入矢量，獲得輸出矢量；基于輸入輸出矢量，通過(guò)Lagrange插值獲得系統(tǒng)級(jí)粗粒度模型；調(diào)整模型粒度，將矩陣映射到低維空間，直到殘差滿足精度要求，獲取緊致數(shù)值宏模型；設(shè)計(jì)對(duì)象滿足要求后，導(dǎo)出版圖信息，完成非標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本發(fā)明將局限于單元庫(kù)內(nèi)簡(jiǎn)單器件的設(shè)計(jì)拓展到支持復(fù)雜奇異非標(biāo)產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)，有利于提高微納尺度自主產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101706835SQ200910155248
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者張樹(shù)有, 譚建榮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)