微電子機械系統(tǒng)力學性能及尺寸效應

前言

　　微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是一門多學科的交叉技術(shù)，其研究內(nèi)容主要是微米量級的微機械和微裝配的加工、設計和應用等問題。MEMS自20世紀60年代問世以來，逐步成為人們在微觀領(lǐng)域認識和改造客觀物質(zhì)世界的一種高新技術(shù)和重要手段，廣泛應用于生物醫(yī)學、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)存儲及通信、微衛(wèi)星的推進系統(tǒng)和核武器的微安全開關(guān)、航空航天等軍事和民用的多個領(lǐng)域。由于其應用的廣泛性，國內(nèi)外投入到該研究領(lǐng)域的人力、物力日益增加，同時，人們更加關(guān)注可以應用的各種微器件的研究開發(fā)。經(jīng)過近十年的迅猛發(fā)展，MEMS研究取得了巨大的進展。國內(nèi)外在硅微細加工、光刻、LIG．A、高能束刻蝕技術(shù)、犧牲層技術(shù)、外延技術(shù)、準分子激光微細加工技術(shù)等各種微制造工藝方面取得了顯著的成就，設計制造出多種微傳感器和微執(zhí)行器等微器件，如微閥、微泵、微齒輪、微馬達、微加速度計、微陀螺和微衛(wèi)星、MEMS力傳感器、微加速度傳感器、微顯示器芯片、微慣性傳感器、微機械血液測試儀等，初步解決了微型化制作和構(gòu)件功能開發(fā)的基本問題?！　‰S著系統(tǒng)特征尺寸的不斷減小，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大的差別，一些常規(guī)理論將作修正。目前，MEMS的研究主要還是依賴經(jīng)驗和反復試驗，完整的微觀尺度下的理論體系尚未建立。因此，微觀尺度下的基礎性理論研究顯得尤為重要。在微觀領(lǐng)域中，微器件的顯著特征就是呈現(xiàn)出尺寸效應和表面效應，而表面效應也是由于尺寸的減小引起表面作用的增強。當物體的尺寸改變時，與尺寸相關(guān)的各種物理量、機械量發(fā)生相應的變化，尺寸效應及其引起的變化（如表面缺陷數(shù)、晶格層錯、介質(zhì)不連續(xù)、量子效應等）導致了微觀領(lǐng)域的許多物理現(xiàn)象與宏觀領(lǐng)域相比較有顯著差異，甚至相悖。微電子機械系統(tǒng)的基礎理論研究相對落后，已成為該學科繼續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，其中，材料機械性能的研究又落后于電學性能的研究，材料的力學性能需要精確的評價，尺寸效應問題顯得尤為突出。

內(nèi)容概要

本書是作者從事微電子機械系統(tǒng)（MEMS）力學性能及尺寸效應研究工作的總結(jié)，系統(tǒng)地闡述了微電子機械系統(tǒng)尺寸效應理論及其應用，較全面地反映了這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。全書共分9章，分析了MEMS的特征及其近期發(fā)展；詳細分析了尺寸效應的內(nèi)涵；建立尺寸效應泛函的分析模型；研究了單晶硅微橋式梁彎曲強度的尺寸效應及分布規(guī)律，建立QFD／TRIZ／FuzzY集成技術(shù)模型；研究MEMS殘余應力；對靜電致動微泵的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學分析模型和有限元分析；對微機械振動式陀螺的動力學特性進行了分析，得到了微機械陀螺驅(qū)動模態(tài)固有頻率和檢測模態(tài)固有頻率隨其主要結(jié)構(gòu)尺寸變化的規(guī)律。    本書取材新穎，研究內(nèi)容結(jié)合實際?？勺鳛楦叩仍盒C電專業(yè)的教師和研究生教學參考書，并可供從事MEMS研究的工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

　　劉凱，男，1957年11月生，日本國近畿大學工學博士，西安理工大學教授，博士生導師，副校長。主要從事機械傳動的理論和應用研究，MEMS的理論與應用研究。承擔了原機械工業(yè)部基金、“九五”、“十五”、“十一五”國家重點科技攻關(guān)項目等共15項縱向課題和10多項橫向課題研究。近幾年在國內(nèi)外學術(shù)期刊上發(fā)表論文50余篇，并被SCI、EI等檢索20余篇，出版英文專著1部。1998年獲“陜西省優(yōu)秀留學回國人員獎”。現(xiàn)為中國機械工程學會機械傳動分會委員，無級變速傳動專業(yè)、齒輪傳動專業(yè)委員會委員，陜西省機械工程學會副理事長。

書籍目錄

前言第1章 緒論  1.1 研究背景    1.1.1 MEMS及其發(fā)展    1.1.2 研究力學性能及尺寸效應的意義  1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析    1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀    1.2.2 國外研究現(xiàn)狀    1.2.3 力學性能測試方法  1.3 本文主要研究內(nèi)容第2章 MEMS尺寸效應的分析模型及應用  2.1 引言  2.2 尺寸效應的內(nèi)涵    2.2.1 尺寸效應的基本概念    2.2.2 尺寸的范疇    2.2.3 尺寸效應的研究目標  2.3 尺寸效應的分類    2.3.1 尺寸的相對性和絕對性    2.3.2 幾何尺寸效應    2.3.3 力的尺寸效應    2.3.4 其他物理性能的尺寸效應  2.4 尺寸效應的數(shù)學模型及其分析    2.4.1 廣義尺寸效應和狹義尺寸效應    2.4.2 狹義尺寸泛函    2.4.3 基本初等函數(shù)表示的尺寸效應    2.4.4 復雜函數(shù)表示的尺寸效應    2.4.5 分析模型的應用舉例  2.5 本章小結(jié)第3章 單晶硅微橋式梁力學性能的彎曲測試及尺寸效應分析  3.1 引言  3.2 梯形截面的幾何特性    3.2.1 梯形截面的形心    3.2.2 梯形截面的慣性矩    3.2.3 慣性矩的尺寸效應分析  3.3 單晶硅微橋式梁試件加工    3.3.1 硅材料的特點    3.3.2 微細加工和集成制造    3.3.3 微橋式梁的加工工藝  3.4 微橋式梁的支反力及彎矩    3.4.1 微橋式梁的力學假設    3.4.2 微橋式梁的支反力    3.4.3 微橋式梁的彎矩  3.5微橋式梁的彎曲測試及力學參數(shù)計算    3.5.1 微橋式梁的彎曲測試    3.5.2 微硬度計算    3.5.3 單晶硅的彈性模量    3.5.4 多晶硅的彈性模量  3.6 實驗結(jié)果分析    3.6.1 微梁樣品的幾何參量    3.6.2 微梁彎曲測試結(jié)果  3.7本章小結(jié)第4章 單晶硅微橋式梁彎曲強度的Weilxill分布及斷裂特性分析  4.1 引言  4.2 陣列微梁樣品  4.3 單晶硅微橋式梁彎曲強度    4.3.1 彎曲強度的線彈性分析    4.3.2 彎曲強度的Weibull分析    4.3.3 Weibull參量的最大似然估計值    4.3.4 彎曲強度的統(tǒng)計分析    4.3.5 彎曲強度的尺寸效應  ……第5章 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技術(shù)的微摩擦測試儀力傳感器尺寸優(yōu)化第6章 MEMS殘余應力分析第7章 靜電微泵的研究第8章 微機械陀螺的動力學特性研究參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第2章 MEMS尺寸效應的分析模型及應用　　2.1 引言　　MEMS元件及其間隔之間的尺寸處于微米量級，材料的部分參數(shù)呈現(xiàn)顯著尺寸效應，宏觀領(lǐng)域材料測試獲得的許多力學性能參數(shù)并不完全適用于MEMS的設計和應用。因此，尺寸效應成為該領(lǐng)域的研究熱點，出現(xiàn)了大量的各種材料力學性能及其尺寸效應研究的相關(guān)論文報導。MEMS基礎理論研究遠遠不能滿足人們的需要，成為整個微電子機械系統(tǒng)進一步發(fā)展的“瓶頸”，需要系統(tǒng)性的研究。本章以尺寸效應作為主要研究內(nèi)容，基于尺寸效應的基本概念，定義了多個新的術(shù)語，建立了狹義尺寸效應的泛函分析模型，從絕對值、相對值和靈敏度三個方面分析模型，對MEMS基礎理論的系統(tǒng)性研究提出一個新的切入點?！　?.2 尺寸效應的內(nèi)涵　　2.2.1 尺寸效應的基本概念　　尺寸效應是指物理量隨著物體結(jié)構(gòu)尺寸的不同而發(fā)生變化的自然現(xiàn)象，有時也稱作尺度效應。納米金顆粒的熔點與普通金相比要低700攝氏度左右，納米銀粉的熔點和水的沸點差不多，僅為100％左右。金屬納米材料會變?yōu)榻^緣體，任何材料一旦制成納米“小不點”，由于顆粒尺寸小于光波的波長（1×10-7m量級），材料對光的反射能力變得非常低，大約小于1％，材料顏色因此都變成了黑色。磁性超微顆粒隨著直徑的減小，矯頑力迅速增加，甚至可以達到大塊材料矯頑力的1000倍，但當顆粒尺寸降低到6×10-3微米時，其矯頑力反而降低到零，材料呈現(xiàn)出超順磁性。宏觀領(lǐng)域陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料具有良好的韌性?！　　?/pre>








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