面向可制造性的新型MEMS微结构拓扑优化设计
2026-10-24 15:43:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

在微机电系统（MEMS）中，器件的功能性能通常取决于局部微结构的几何构型，尽管这些结构的物理工作原理各不相同，但它们具有一个共同的基本几何特征：其宏观响应取决于连通路径的拓扑连续性、空间分布以及局部截面调制，如图1所示。要建立一种可靠的此类结构生成方法，需要采用综合性设计策略，在满足严格微加工制造约束的同时，兼顾复杂的多物理场响应。

图1 路径定义型MEMS微结构的抽象表示

“人工智能驱动的科学研究”（AI for Science）的兴起，进一步推动了深度强化学习和生成对抗网络在高性能MEMS拓扑结构探索中的应用。这些数据驱动的方法展现了一种新的设计范式：由计算机自主识别最优结构形态。然而，从抽象的像素图案转化为实际的MEMS器件，会面临所谓的“可制造性鸿沟”（manufacturability gap）。

据麦姆斯咨询报道，近日，东南大学和江南大学的研究人员组成的团队提出了一种用于路径定义型MEMS微结构“可制造性感知”启发式拓扑优化的矢量化生成表征方法，旨在解决MEMS逆向设计中的拓扑自由度与制造可行性之间的权衡问题。本研究提出的表征方法将低维连续设计变量映射为连通且符合制造要求的物理结构布局，并将拓扑演化、边界兼容性、线宽调节、间距约束和几何平滑直接嵌入结构生成过程。该方法构建了一个紧凑的连续搜索空间，使路径拓扑、空间布局和局部线宽能够在联合优化过程中同步探索，同时在解码生成结构时持续满足预设的制造约束。每个生成的结构布局均以矢量几何形式导出，用于有限元电热分析与性能标注；同时，将其栅格化为形态图像，用于代理模型训练，从而在优化过程中实现快速性能预测。

通过对电阻式MEMS微加热器开展有限元分析和红外测量对比，验证了该方法能够在实际实验中实现热场均匀性的改善；而柔顺式微弹簧案例则证明了该方法可迁移应用于不同的机械优化目标。上述结果表明，对于具有不同物理性能优化目标的路径定义型MEMS微结构，该方法可作为一种兼顾制造可行性的优化接口。上述研究成果以“A fabrication-aware vectorized generative representation for topology optimization of path-defined MEMS microstructures”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

面向可制造性的MEMS拓扑优化矢量化生成表征方法

为解决连通型MEMS微结构设计中的表征瓶颈，本研究建立了一种具有可制造性感知能力的矢量化框架，将逆向设计组织为一个由潜在空间编码、受约束几何生成、形态感知评估和启发式搜索构成的闭环过程。该框架并非直接在离散布线网格上进行优化，也不局限于刚性预定义的模板集合，而是构建了一个连续控制空间，并将该空间中的扰动映射为满足制造约束的连通结构布局。通过这种方式，逆向设计问题由对离散几何结构的直接操作，转化为在低维生成式表征空间中进行的结构化搜索。

该框架包含三个相互耦合的方法论阶段，并通过一个具有代表性的设计空间示例进行展示，如图2所示。第一阶段为面向可制造性的几何生成。首先，通过基于规则的拓扑合成，在受约束的离散网格上构建整体连通的布线路径骨架；随后，通过连续线宽调节，将该骨架转化为具有局部可变线宽的实际物理结构布局。第二阶段为代理模型加速的性能评估。每个生成的结构布局均通过两条并行路径进行处理：一方面，将矢量化几何结构导出为DXF文件，用于有限元分析与性能标注；另一方面，将同一结构布局栅格化为形态图像，用于卷积神经网络代理模型的训练。代理模型训练完成后，即可快速预测结构性能，并在优化过程中替代反复进行的有限元计算。第三阶段为潜在空间中的启发式搜索。该阶段通过协同改变结构特征，实现对候选设计的高效探索。根据具体设计需求，可采用多目标优化或分层优化策略，随后通过高保真有限元分析或实验进行验证。最终设计空间中的代表性样本进一步展示了所提出表征方法所具有的结构多样性，以及其在结构生成过程中内嵌的规则约束遵循能力。

图2 面向可制造性的MEMS拓扑优化矢量化生成表征方法

MEMS微加热器设计与验证

路径定义型MEMS微结构是指几何形态由一条或多条连续的微尺度路径构成的功能元件。与紧凑的实体区域不同，这类微结构的物理响应取决于路径的连续性、空间分布、局部线宽以及边界连接方式。对于电热型MEMS器件，这些几何因素共同决定电流分布、焦耳热产生密度、热量扩散，以及热量向周围锚点或衬底的耗散。因此，路径定义型电阻式MEMS微加热器可作为一种具有代表性的验证对象，用于评估所提出的表征方法能否在保持制造兼容性的同时，调控对拓扑结构敏感的MEMS器件性能。

目标设计任务是在预定的有效加热区域内实现温度场均匀化。为了补偿中心区域、边界区域和支撑区域之间不同的热损失，实现近似等温的温度场可能需要对路径密度和局部焦耳热分布进行有意的非均匀设计。

研究人员利用所提出的方法进行了MEMS微加热器的优化设计（图3），图3e中的代表性候选结构布局表明，进化搜索通过对路径密度和局部布线特征进行有序重组，最终形成了一种类似迷宫的结构布局，在功耗受限的条件下实现了更好的电热均匀性。

图3 潜在设计空间中的进化搜索动态及最终的设计示意图

接着，研究人员对原始MEMS微加热器与优化后MEMS微加热器进行了红外实验对比（图4）。与原始MEMS微加热器相比，优化后的MEMS微加热器具有更集中的温度分布，其温度变异系数由4.04%降至1.22%，而加热区域内温度处于平均温度±2 °C范围内的面积占比则由34.7%提高至95.6%。

图4 原始MEMS微加热器与优化后MEMS微加热器的红外实验表征

柔顺式微弹簧的机械性能优化

为考察所提出的方法在电热设计之外的可迁移性，研究人员进一步将柔顺式微弹簧作为另一种路径定义型MEMS优化对象。

图5a总结了优化过程，最终选定的设计方案则从历史非支配解集合中确定。高保真有限元验证结果表明，优化后结构的目标方向位移由389.56 μm增加至508.91 μm，提升了30.6%；与此同时，峰值von Mises应力由1841.9 MPa降至1541.3 MPa，降低了16.3%（图5b–5e）。这些结果表明，无需改变底层几何生成框架，同一套面向可制造性的表征方法及其解码流程，即可支持具有不同物理优化目标的设计任务。

图5 代理模型辅助的柔顺式微弹簧机械优化与有限元验证

结论

综上所述，这项研究提出了一种面向路径定义型MEMS微结构“可制造性优化”的表征层面策略。通过将连通性要求和预设的几何制造约束嵌入从潜在空间到结构布局的映射过程，所提出的表征方法能够针对布线路径拓扑、空间布局和局部线宽的变化开展启发式搜索，而无需进行事后的几何修复。通过对电阻式MEMS微加热器开展有限元分析和红外测量对比，验证了该方法能够在实际实验中实现热场均匀性的改善；而柔顺式微弹簧案例则证明了该方法可迁移应用于不同的机械优化目标。上述结果表明，所提出的表征方法可作为一种兼顾制造可行性的优化接口，用于路径定义型MEMS微结构的优化设计。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01470-3

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