微電子機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)性能及尺寸效應(yīng)

前言

　　微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是一門多學(xué)科的交叉技術(shù)，其研究?jī)?nèi)容主要是微米量級(jí)的微機(jī)械和微裝配的加工、設(shè)計(jì)和應(yīng)用等問題。MEMS自20世紀(jì)60年代問世以來，逐步成為人們?cè)谖⒂^領(lǐng)域認(rèn)識(shí)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(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信、微衛(wèi)星的推進(jìn)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(gè)領(lǐng)域。由于其應(yīng)用的廣泛性，國(guó)內(nèi)外投入到該研究領(lǐng)域的人力、物力日益增加，同時(shí)，人們更加關(guān)注可以應(yīng)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(jìn)展。國(guó)內(nèi)外在硅微細(xì)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(zhǔn)分子激光微細(xì)加工技術(shù)等各種微制造工藝方面取得了顯著的成就，設(shè)計(jì)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(dá)、微加速度計(jì)、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(jī)械血液測(cè)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。　　隨著系統(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(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)，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(chǔ)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(yīng)和表面效應(yīng)，而表面效應(yīng)也是由于尺寸的減小引起表面作用的增強(qiáng)。當(dāng)物體的尺寸改變時(shí)，與尺寸相關(guān)的各種物理量、機(jī)械量發(fā)生相應(yīng)的變化，尺寸效應(yīng)及其引起的變化（如表面缺陷數(shù)、晶格層錯(cuò)、介質(zhì)不連續(xù)、量子效應(yīng)等）導(dǎo)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(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究相對(duì)落后，已成為該學(xué)科繼續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，其中，材料機(jī)械性能的研究又落后于電學(xué)性能的研究，材料的力學(xué)性能需要精確的評(píng)價(jià)，尺寸效應(yīng)問題顯得尤為突出。

內(nèi)容概要

本書是作者從事微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）力學(xué)性能及尺寸效應(yīng)研究工作的總結(jié)，系統(tǒng)地闡述了微電子機(jī)械系統(tǒng)尺寸效應(yīng)理論及其應(yīng)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(xì)分析了尺寸效應(yīng)的內(nèi)涵；建立尺寸效應(yīng)泛函的分析模型；研究了單晶硅微橋式梁彎曲強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)及分布規(guī)律，建立QFD／TRIZ／FuzzY集成技術(shù)模型；研究MEMS殘余應(yīng)力；對(duì)靜電致動(dòng)微泵的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)分析模型和有限元分析；對(duì)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，得到了微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率和檢測(cè)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?jī)?nèi)容結(jié)合實(shí)際。可作為高等院校機(jī)電專業(yè)的教師和研究生教學(xué)參考書，并可供從事MEMS研究的工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

　　劉凱，男，1957年11月生，日本國(guó)近畿大學(xué)工學(xué)博士，西安理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，副校長(zhǎng)。主要從事機(jī)械傳動(dòng)的理論和應(yīng)用研究，MEMS的理論與應(yīng)用研究。承擔(dān)了原機(jī)械工業(yè)部基金、“九五”、“十五”、“十一五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目等共15項(xiàng)縱向課題和10多項(xiàng)橫向課題研究。近幾年在國(guó)內(nèi)外學(xué)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(xué)回國(guó)人員獎(jiǎng)”?，F(xiàn)為中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械傳動(dòng)分會(huì)委員，無級(jí)變速傳動(dòng)專業(yè)、齒輪傳動(dòng)專業(yè)委員會(huì)委員，陜西省機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。

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(xué)性能及尺寸效應(yīng)的意義  1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析    1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀    1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀    1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試方法  1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容第2章 MEMS尺寸效應(yīng)的分析模型及應(yīng)用  2.1 引言  2.2 尺寸效應(yīng)的內(nèi)涵    2.2.1 尺寸效應(yīng)的基本概念    2.2.2 尺寸的范疇    2.2.3 尺寸效應(yīng)的研究目標(biāo)  2.3 尺寸效應(yīng)的分類    2.3.1 尺寸的相對(duì)性和絕對(duì)性    2.3.2 幾何尺寸效應(yīng)    2.3.3 力的尺寸效應(yīng)    2.3.4 其他物理性能的尺寸效應(yīng)  2.4 尺寸效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及其分析    2.4.1 廣義尺寸效應(yīng)和狹義尺寸效應(yīng)    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(yīng)    2.4.4 復(fù)雜函數(shù)表示的尺寸效應(yīng)    2.4.5 分析模型的應(yīng)用舉例  2.5 本章小結(jié)第3章 單晶硅微橋式梁力學(xué)性能的彎曲測(cè)試及尺寸效應(yīng)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(yīng)分析  3.3 單晶硅微橋式梁試件加工    3.3.1 硅材料的特點(diǎn)    3.3.2 微細(xì)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(xué)假設(shè)    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(cè)試及力學(xué)參數(shù)計(jì)算    3.5.1 微橋式梁的彎曲測(cè)試    3.5.2 微硬度計(jì)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(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果  3.7本章小結(jié)第4章 單晶硅微橋式梁彎曲強(qiáng)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(qiáng)度    4.3.1 彎曲強(qiáng)度的線彈性分析    4.3.2 彎曲強(qiáng)度的Weibull分析    4.3.3 Weibull參量的最大似然估計(jì)值    4.3.4 彎曲強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分析    4.3.5 彎曲強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)  ……第5章 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技術(shù)的微摩擦測(cè)試儀力傳感器尺寸優(yōu)化第6章 MEMS殘余應(yīng)力分析第7章 靜電微泵的研究第8章 微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)特性研究參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章 MEMS尺寸效應(yīng)的分析模型及應(yīng)用　　2.1 引言　　MEMS元件及其間隔之間的尺寸處于微米量級(jí)，材料的部分參數(shù)呈現(xiàn)顯著尺寸效應(yīng)，宏觀領(lǐng)域材料測(cè)試獲得的許多力學(xué)性能參數(shù)并不完全適用于MEMS的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。因此，尺寸效應(yīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，出現(xiàn)了大量的各種材料力學(xué)性能及其尺寸效應(yīng)研究的相關(guān)論文報(bào)導(dǎo)。MEMS基礎(chǔ)理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，成為整個(gè)微電子機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的“瓶頸”，需要系統(tǒng)性的研究。本章以尺寸效應(yīng)作為主要研究?jī)?nèi)容，基于尺寸效應(yīng)的基本概念，定義了多個(gè)新的術(shù)語，建立了狹義尺寸效應(yīng)的泛函分析模型，從絕對(duì)值、相對(duì)值和靈敏度三個(gè)方面分析模型，對(duì)MEMS基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)性研究提出一個(gè)新的切入點(diǎn)?！　?.2 尺寸效應(yīng)的內(nèi)涵　　2.2.1 尺寸效應(yīng)的基本概念　　尺寸效應(yīng)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(shí)也稱作尺度效應(yīng)。納米金顆粒的熔點(diǎn)與普通金相比要低700攝氏度左右，納米銀粉的熔點(diǎn)和水的沸點(diǎn)差不多，僅為100％左右。金屬納米材料會(huì)變?yōu)榻^緣體，任何材料一旦制成納米“小不點(diǎn)”，由于顆粒尺寸小于光波的波長(zhǎng)（1×10-7m量級(jí)），材料對(duì)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(dá)到大塊材料矯頑力的1000倍，但當(dāng)顆粒尺寸降低到6×10-3微米時(shí)，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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