微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

前言

　　微機(jī)電系統(tǒng)（micro—electro－mechanical systems，MEMS）技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的前沿性、多學(xué)科交叉的高科技技術(shù)。MEMS技術(shù)的由來和產(chǎn)生不是偶然的，是人類社會(huì)和科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的必然產(chǎn)物；MEMs技術(shù)研究的興起，集中地反映了人類認(rèn)識和改造微觀技術(shù)世界的發(fā)展趨勢。MEMS技術(shù)是21世紀(jì)高科技市場的、影響未來世界的、關(guān)系到國家科技發(fā)展及國防安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的關(guān)鍵技術(shù)，是新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)生長點(diǎn)，是一場新的產(chǎn)業(yè)革命，它將會(huì)對幾乎所有的科技領(lǐng)域產(chǎn)生沖擊和影響。MEMS技術(shù)不僅在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、宇航、農(nóng)業(yè)、汽車工業(yè)和軍事等諸多領(lǐng)域具有潛在的廣闊市場和應(yīng)用前景，而且也向基礎(chǔ)研究領(lǐng)域提出了巨大的挑戰(zhàn)?！　EMS的研究，一方面是現(xiàn)代科技發(fā)展的需求；另一方面也反映了人類對物質(zhì)世界極限本質(zhì)的探索與追求。它是一門多學(xué)科的綜合科學(xué)，包括機(jī)械科學(xué)、微電子學(xué)，還涉及現(xiàn)代光學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、仿生學(xué)及材料科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。MEMS不僅僅是傳統(tǒng)機(jī)械在尺度上的微小型化，而且它已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇，是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，并作為整個(gè)納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，是在一種嶄新的思維方法指導(dǎo)下的產(chǎn)物?！　∧壳埃琈EMS的研究主要集中在MEMS結(jié)構(gòu)的加工工藝和制造、靜態(tài)特性分析和測量方法等方面，而在MEMS動(dòng)力學(xué)特性，尤其是在振動(dòng)特性、非線性動(dòng)力學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與控制、動(dòng)態(tài)測試與實(shí)驗(yàn)及可靠性等方面的研究還很少。而這些方面都對MEMS實(shí)際應(yīng)用的有效性和可行性是非常重要的。在MEMS研究中呈現(xiàn)出的新特征對傳統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論與方法提出了新的挑戰(zhàn)，隨著高精密、復(fù)雜MEMS的超速發(fā)展，對其動(dòng)力學(xué)方面的研究提出了越來越高的要求，也提出了諸如動(dòng)力學(xué)建模與分析方法、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與控制、動(dòng)力學(xué)特性測試與試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性等許多值得關(guān)注的科學(xué)問題。MEMS動(dòng)力學(xué)正在伴隨MEMS本身的發(fā)展而逐漸成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域和研究方向。由于對MEMS動(dòng)力學(xué)的研究涉及眾多和宏觀領(lǐng)域不同的新特征，所以，無論是在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上，都需要采用與傳統(tǒng)理論不同的研究方法。MEMS動(dòng)力學(xué)作為微科學(xué)的分支將具有誘人的發(fā)展?jié)摿?，而且納米科學(xué)技術(shù)的成熟將為MEMS動(dòng)力學(xué)提供更為廣闊的發(fā)展空間。

內(nèi)容概要

　　《微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》著重介紹微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論基礎(chǔ)與應(yīng)用。全書共分為7章，主要內(nèi)容包括微機(jī)電系統(tǒng)及微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)科學(xué)問題的發(fā)展背景、現(xiàn)狀和未來的介紹；微驅(qū)動(dòng)原理及尺度效應(yīng)、微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)的概述；微機(jī)電系統(tǒng)宏建模與分析方法、多能量場耦合降階建模與模擬仿真技術(shù)的介紹；微機(jī)電系統(tǒng)中涉及的多種氣體阻尼和熱彈性阻尼特性的分析與探討；靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性和微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的摩擦磨損行為、氣體軸承動(dòng)力潤滑特性和非線性振動(dòng)特性等方面的論述；微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測試技術(shù)的介紹?！　　段C(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》可供高等院校微電子、機(jī)電一體化等專業(yè)的師生閱讀，也可供從事微機(jī)電系統(tǒng)和微系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工制造及應(yīng)用技術(shù)的科技人員參考。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 MEMS技術(shù)革命歷程1.2 MEMS的基本概念與特征1.3 MEMS動(dòng)力學(xué)及其非線性特征1.4 MEMS動(dòng)力學(xué)研究概況1.5 MEMS的市場和應(yīng)用前景1.6 MEMS的相關(guān)資訊參考文獻(xiàn)第2章 MEMS動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)2.1 尺度效應(yīng)2.2 微驅(qū)動(dòng)原理及尺度效應(yīng)2.3 MEMS力學(xué)特性2.4 MEMS振動(dòng)特性2.5 MEMS摩擦學(xué)2.6 微尺度理論研究方法參考文獻(xiàn)第3章 MEMS動(dòng)力學(xué)建模與仿真3.1 MEMS建模與仿真概論3.2 MEMS宏建模與分析方法3.3 MEMS多能量場耦合降階建模3.4 MEMS多能量場耦合模擬仿真參考文獻(xiàn)第4章 MEMS阻尼特性4.1 氣體阻尼4.2 熱彈性阻尼參考文獻(xiàn)第5章 靜電驅(qū)動(dòng)MEMS動(dòng)力學(xué)5.1 靜電場基本理論5.2 靜電驅(qū)動(dòng)基本方式5.3 微結(jié)構(gòu)靜電力分析5.4 靜電驅(qū)動(dòng)MEMS的基本特性5.5 靜電驅(qū)動(dòng)MEMS的動(dòng)力學(xué)特性5.6 靜電驅(qū)動(dòng)MEMS的組合共振參考文獻(xiàn)第6章 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)6.1 微旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)展概論6.2 微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性分析6.3 微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題分析6.4 碰摩微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力特性分析6.5 微氣體軸承動(dòng)力潤滑特性分析參考文獻(xiàn)第7章 MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)7.1 基本激勵(lì)方法與技術(shù)7.2 MEMS動(dòng)態(tài)參數(shù)測量方法7.3 計(jì)算機(jī)微視覺測試技術(shù)7.4 頻閃顯微干涉視覺測試技術(shù)7.5 激光多普勒測試技術(shù)7.6 光纖邁克爾遜干涉測試技術(shù)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1959年，美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feynman博士在加州理工學(xué)院舉行的全美物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，發(fā)表了題為“Theres Plenty of Room at the Bottom”（即“實(shí)際上大有余地”）的重要演講，首先提出微型機(jī)械的設(shè)想；此后，又于1983年在帕薩迪納噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室作了題為“Infinitesimal Machinery”（即“極微機(jī)械”）的精彩報(bào)告，不但預(yù)言了在微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electr0-mechanical systerns，MEMS）發(fā)展過程中多種技術(shù)的出現(xiàn)，并且指出了涉及MEMS機(jī)理、設(shè)計(jì)與加工制造及應(yīng)用等領(lǐng)域的重要研究課題?！　∽?987年IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化委員會(huì)召開的第一屆微機(jī)電系統(tǒng)會(huì)議以來，MEMS作為一個(gè)新興交叉學(xué)科正在形成，并且發(fā)展非常迅速。同期，來自MIT、Berkley、Stanford、AT&T和NSF的眾多科學(xué)家聯(lián)名向美國政府提出了“Small Machines，Large Opportunities：A Report on the Emerging Field of Microdynamics”（即“小機(jī)械，大機(jī)會(huì)：一個(gè)關(guān)于新興的微動(dòng)力領(lǐng)域的報(bào)告”）的國家計(jì)劃建議書。根據(jù)這個(gè)建議書，美國國家自然科學(xué)基金（NSF）撥巨款支持這項(xiàng)研究，1988年撥款1億500萬美元，1989年撥款2億美元。此后，NSF于1989年召開微機(jī)械加工技術(shù)討論會(huì)，提出了題為“Microelectronic Technology Applied to Electrical Mechanical System”（即“微電子技術(shù)應(yīng)用于電子機(jī)械系統(tǒng)”）的總結(jié)報(bào)告，并與美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署（DARPA）將報(bào)告中的微機(jī)械加工技術(shù)確定為美國急需發(fā)展的新技術(shù)，從此，作為micro-electro-mechanical systems縮寫詞的MEMS被廣為流傳，成為一個(gè)世界性的學(xué)術(shù)用語，MEMS技術(shù)也日益成為國際上的一個(gè)前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)?！　EMS是集微機(jī)械與微電子功能于一體的微型機(jī)電器件或系統(tǒng)，主要由微傳感器、微執(zhí)行器、微電路和電源等組成。它通常具有獲取信息、信息處理與控制及致動(dòng)等功能。相對于常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)而言，MEMS具有體積小、質(zhì)量輕、能耗低、響應(yīng)快、智能化和可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。MEMS技術(shù)開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，目前已涌現(xiàn)出許多新概念、新原理、新結(jié)構(gòu)的MEMS，如RF-MEMS、MO-EMS、Bio-MEMS、Power-MEMS等?！　　?/pre>




編輯推薦
　　《微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》是以作者所在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）課題組近年來的科學(xué)研究工作為基礎(chǔ)，融合了其他科研人員的研究成果編著而成。主要介紹了MEMS技術(shù)革命歷程、基本概念、動(dòng)力學(xué)概況及其非線性特征；微驅(qū)動(dòng)原理及尺度效應(yīng)；各種常見的MEMS宏建模與分析方法、多能量場耦合降階建模與模擬仿真技術(shù)等基本內(nèi)容。著重介紹了靜電驅(qū)動(dòng)MEMS所涉及的各種靜電驅(qū)動(dòng)方式、靜電吸合和參數(shù)激勵(lì)耦合等非線性動(dòng)力學(xué)問題；微旋轉(zhuǎn)機(jī)械中微電機(jī)和動(dòng)力MEMS的發(fā)展概況。 《微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》旨在通過對MEMS動(dòng)力學(xué)問題的綜合探討，試圖引起人們對MEMS動(dòng)力學(xué)研究的興趣和重視，促進(jìn)MEMS動(dòng)力學(xué)的發(fā)展、加快MEMS應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的步伐、提高M(jìn)EMS使用的工作效率和可靠性。





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