微电子机械系统力学性能及尺寸效应

前言

第1章绪论

1．1研究背景

1．1．1MEMS及其发展

1．1．2研究力学性能及尺寸效应的意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1国内研究现状

1．2．2国外研究现状

1．2．3力学性能测试方法

1．3本文主要研究内容

第2章MEMS尺寸效应的分析模型及应用

2．1引言

2．2尺寸效应的内涵

2．2．1尺寸效应的基本概念

2．2．2尺寸的范畴

2．2．3尺寸效应的研究目标

2．3尺寸效应的分类

2．3．1尺寸的相对性和绝对性

2．3．2几何尺寸效应

2．3．3力的尺寸效应

2．3．4其他物理性能的尺寸效应

2．4尺寸效应的数学模型及其分析

2．4．1广义尺寸效应和狭义尺寸效应

2．4．2狭义尺寸泛函

2．4．3基本初等函数表示的尺寸效应

2．4．4复杂函数表示的尺寸效应

2．4．5分析模型的应用举例

2．5本章小结

第3章单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试及尺寸效应分析

3．1引言

3．2梯形截面的几何特性

3．2．1梯形截面的形心

3．2．2梯形截面的惯性矩

3．2．3惯性矩的尺寸效应分析

3．3单晶硅微桥式梁试件加工

3．3．1硅材料的特点

3．3．2微细加工和集成制造

3．3．3微桥式梁的加工工艺

3．4微桥式梁的支反力及弯矩

3．4．1微桥式梁的力学假设

3．4．2微桥式梁的支反力

3．4．3微桥式梁的弯矩

3．5微桥式梁的弯曲测试及力学参数计算

3．5．1微桥式梁的弯曲测试

3．5．2微硬度计算

3．5．3单晶硅的弹性模量

3．5．4多晶硅的弹性模量

3．6实验结果分析

3．6．1微梁样品的几何参量

3．6．2微梁弯曲测试结果

3．7本章小结

第4章单晶硅微桥式梁弯曲强度的Weilxill分布及断裂特性分析

4．1引言

4．2阵列微梁样品

4．3单晶硅微桥式梁弯曲强度

4．3．1弯曲强度的线弹性分析

4．3．2弯曲强度的Weibull分析

4．3．3Weibull参量的最大似然估计值

4．3．4弯曲强度的统计分析

4．3．5弯曲强度的尺寸效应

4．4单晶硅微桥式梁弯曲断裂特性分析

4．4．1脆性材料的理想化断裂

4．4．2Griffith断裂理论

4．4．3Griffith理论修正

4．4．4微梁试件的断面

4．4．5单晶硅微梁断裂的应变设计

4．5本章小结

第5章基于QFD／Tluz／FUzzY集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化

5．1引言

5．2OFD／TRIz／FuzzY集成创新设计数学模型

5．2．1OFD质量功能配置方法

5．2．2解决冲突问题的TRIz理论

5．2．3基于FuzzY设计优化技术的模糊层次分析法

5．3基于0FD／TRIZ／FuZZY集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化

5．3．1微摩擦测试仪力传感器的质量屋

5．3．2技术冲突矛盾的解决方案

5．3．3基于FuZZY优化技术的设计评价

5．4本章小结

第6章MEMS残余应力分析

6．1引言

6．2薄膜残余应力

6．2．1热膨胀系数

6．2．2热失配应力

6．2．3本征应力

6．2．4单层薄膜和多层薄膜残余应力

6．2．5残余应力梯度

6．3残余应力的测量方法

6．3．1谐振频率法

6．3．2鼓泡法

6．3．3拉曼光谱法

6．3．4x射线衍射法

6．3．5微悬臂梁法

6．4残余应力的释放和控制

6．4．1残余应力的释放

6．4．2残余应力的控制

6．5本章小结

第7章静电微泵的研究

7．1引言

7．2傲泵简介

7．3静电微泵结构的理论建模

7．3．1振膜式静电微泵的结构及其工作原理

7．3．2泵膜的理论分析

7．3．3阀单元分析

7．3．4微泵流量及压力

7．4静电微泵致动特性及其尺寸效应分析

7．4．1尺寸效应的数学模型

7．4．2静电驱动及尺寸效应

7．4．3静电吸合及尺寸效应分析

7．5静电微泵的动态分析

7．5．1微泵的有限元分析

7．5．2微泵流体有限元分析

7．5．3静电微泵泵膜等效电路

第8章微机械陀螺的动力学特性研究

8．1引言

8．2微机械陀螺的动力学方程的建立

8．2．1振动陀螺的基本原理

8．2．2微机械振动式陀螺的数学模型

8．2．3微机械陀螺中弹性梁的分析

8．2．4微机械陀螺中的空气阻尼分析

8．3微机械陀螺中静电驱动及其作用

8．3．1微机械陀螺的静电驱动

8．3．2静电调节模态匹配

8．3．3静电负阻尼

8．3．4静电吸合

8．4微机械陀螺的动力学特性分析

8．4．1拉格朗日方程

8．4．2利用拉格朗日方程建立微机械振动式陀螺的动力学方程

8．4．3微机械陀螺的动力学特性分析

8．5微机械陀螺中的主要误差及噪声分析

8．5．1微机械振动式陀螺的误差分析

8．5．2微机械振动式陀螺的噪声分析

8．5．3残余应力对微机械陀螺动力学特性的影响

8．6微机械振动式陀螺的有限元模拟

8．6．1振子框架式微机械振动式陀螺仪的结构及工作原理

8．6．2振动模态分析

8．6．3各主要结构尺寸变化对陀螺模态频率的影响

参考文献

　　本书是关于介绍“微电子机械系统动力学性能及尺寸效应”的教学用书，全书共分9章，分析了MEMS的特征及其近期发展；详细分析了尺寸效应的内涵；建立尺寸效应泛函的分析模型；研究了单晶硅微桥式梁弯曲强度的尺寸效应及分布规律，建立QFD／TRIZ／FuzzY集成技术模型；研究MEMS残余应力；对静电致动微泵的结构建立数学分析模型和有限元分析；对微机械振动式陀螺的动力学特性进行了分析，得到了微机械陀螺驱动模态固有频率和检测模态固有频率随其主要结构尺寸变化的规律。本书可作为高等院校机电专业的教师和研究生教学参考书，并可供从事MEMS研究的工程技术人员参考。　　本书是作者从事微电子机械系统（MEMS）力学性能及尺寸效应研究工作的总结，系统地阐述了微电子机械系统尺寸效应理论及其应用，较全面地反映了这一领域的研究现状。全书共分9章，分析了MEMS的特征及其近期发展；详细分析了尺寸效应的内涵；建立尺寸效应泛函的分析模型；研究了单晶硅微桥式梁弯曲强度的尺寸效应及分布规律，建立QFD／TRIZ／FuzzY集成技术模型；研究MEMS残余应力；对静电致动微泵的结构建立数学分析模型和有限元分析；对微机械振动式陀螺的动力学特性进行了分析，得到了微机械陀螺驱动模态固有频率和检测模态固有频率随其主要结构尺寸变化的规律。　　本书取材新颖，研究内容结合实际。可作为高等院校机电专业的教师和研究生教学参考书，并可供从事MEMS研究的工程技术人员参考。