微機電系統(tǒng)力學

內(nèi)容概要

　　《微機電系統(tǒng)力學》力圖由淺入深，從物理基本力出發(fā)，按一定的章節(jié)次序，深入淺出地逐一介紹、闡述并討論微機電系統(tǒng)中各種微觀力的基本作用規(guī)律。微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的發(fā)展突飛猛進，涵蓋的領域日漸寬廣，市場前景及對國民經(jīng)濟的影響日益廣闊，人們對其原理、特性及規(guī)律的研究和認識也日趨深入。微機電系統(tǒng)的特征尺寸在微納米范圍，尺度上存在特殊性。但它并不是宏觀機電系統(tǒng)的簡單縮小，更不是微電子技術的簡單外延。在微納米尺度范圍內(nèi)，微結(jié)構(gòu)的力學行為并不完全相似于宏觀的結(jié)構(gòu)，微機械的運動也并不完全相似于宏觀的機械。材料本身的特性在微納米尺度下也出現(xiàn)了新的值得探索的狀況和問題。事實上，微機電系統(tǒng)技術的難度核心主要不是表現(xiàn)在微電子方面，而是表現(xiàn)在微機械或微結(jié)構(gòu)方面，表現(xiàn)在微機械（或微結(jié)構(gòu)）與微電子的有機結(jié)合方面。微機械的運動、微結(jié)構(gòu)的變形、電子與機械的能量轉(zhuǎn)換、微系統(tǒng)的智能控制等都是微機電系統(tǒng)的技術核心。而微機械的運動、微結(jié)構(gòu)的變形、機械與電子的能量轉(zhuǎn)換、微系統(tǒng)的智能控制等卻更多地依賴于所處的力學環(huán)境。從力學的角度看，微納米尺度下的力學環(huán)境相對于宏觀尺度已發(fā)生了很大的變化。任何在宏觀系統(tǒng)中認為微不足道的因素都有可能成為微機電系統(tǒng)中的重要因素。因此，就當前的科技發(fā)展水平，系統(tǒng)地闡述微納米尺度下的力學特性、力學行為和力學規(guī)律是很必要的。

作者簡介

　　高世橋，1961年6月生，博士，教授，博士生導師，享受國務院政府津貼，德國洪堡基金獲得者?，F(xiàn)任教于北京理工大學宇航科學技術學院，從事非線性結(jié)構(gòu)動力學、沖擊動力學及微機電技術研究。先后在國際、國內(nèi)的重要學術刊物上發(fā)表論文80余篇。獲多項國家、省部級獎。

書籍目錄

符號說明緒論第1章　微機電系統(tǒng)的發(fā)展與力學1.1　微機電系統(tǒng)的起源1.2　微機電系統(tǒng)的定義與內(nèi)涵1.3　微機電系統(tǒng)的特點1.4　微機電系統(tǒng)的發(fā)展1.5　微機電系統(tǒng)的材料和微加工技術1.6　商品化的趨勢1.7　微機電系統(tǒng)對力學的需求第2章　物理基本力2.1　物質(zhì)的構(gòu)成2.2　物理基本力2.3　基本力的作用行程2.4　微機電系統(tǒng)中的力第3章　靜電力3.1　庫侖定律3.2　電場、電場強度3.3　電勢3.4　電偶極子3.4.1　電偶極子的電場3.4.2　電偶極子電場的電勢3.5　電多極子與電勢的多極展開3.5.1　單極子項3.5.2　偶極子項3.5.3　四板子項第4章　電—磁力4.1　洛侖茲力4.1.1　帶電粒子在均勻磁場中的運動4.1.2　帶電粒子在非均勻磁場中的運動4.2　安培力4.2.1　安培力的定義4.2.2　安培力的微觀解釋4.2.3　栽流導線在磁場中所受到的磁力4.2.4　載流線圈在磁場中所受到的磁力矩4.2.5　平行載流導線間的相互作用力第5章　范德瓦爾斯力5.1　偶極子產(chǎn)生的電場5.2　離子與偶極子間的相互作用能及作用力5.3　偶極—偶極相互作用5.4　角平均的偶極相互作用5.5　偶極—誘導偶極相互作用5.6　倫敦（London）—范德瓦爾斯（色散）力5.7　分子問總的范德瓦爾斯相互作用5.8　物體間的范德瓦爾斯力第6章　卡西米爾力6.1　卡西米爾力提出的背景6.1.1　“零點能量”及卡西米爾力的探索6.1.2　卡西米爾效應的進一步研究6.2　卡西米爾力6.2.1　卡西米爾力6.2.2　卡西米爾效應6.2.3　卡西米爾力的量子力學闡釋6.3　金屬板間的卡西米爾力及做功6.3.1　兩平行導電金屬板之間的卡西米爾力6.3.2　兩平行移動的平行平面的卡西米爾力6.3.3　平板間距離變化時卡西米爾力作功6.4　卡西米爾力對微加速度計性能的影響第7章　微結(jié)構(gòu)靜電場及電場力7.1　無限大平板模型7.2　考慮邊緣效應模型7.2.1　基于分離變量法得到的級數(shù)解7.2.2　基于保角變換計算式7.2.3　考慮極板厚度時的邊緣效應7.2.4　邊緣效應模型對比與分析7.3　非平行平板電容器的電容計算7.4　梳狀結(jié)構(gòu)電容的拐角效應第8章　毛細力8.1　毛細現(xiàn)象8.2　毛細原理8.3　毛細模型8.3.1　表面張力8.3.2　接觸角與潤濕現(xiàn)象8.3.3　拉普拉斯方程8.4　毛細力在平行板間的作用8.4.1　液橋毛細力理論8.4.2　兩板間的粘附力模型第9章　布朗力與噪聲9.1　布朗運動現(xiàn)象與噪聲9.2　噪聲的一般性質(zhì)9.2.1　噪聲的定義、特性及分類9.2.2　研究噪聲的意義9.3　機械噪聲（布朗力）9.3.1　布朗力9.3.2　單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)布朗力9.3.3　硅微陀螺機械熱噪聲9.3.4　電容加速度計熱噪聲9.4　電流熱噪聲9.4.1　電流熱噪聲模型9.4.2　電阻熱噪聲9.4.3　阻容并聯(lián)電路的熱噪聲9.4.4　機械—電子噪聲相似性9.5　其他類型的電子噪聲9.5.1　PN結(jié)的散粒噪聲9.5.2　g-r噪聲9.5.3　1／f噪聲第10章　阻尼力10.1　氣體微流動基本概念及流速分類10.2　流體動力學基本方程及邊界條件10.2.1　流體動力學基本方程10.2.2　邊界條件10.3　壓膜阻尼10.3.1　雷諾方程10.3.2　氣體壓膜阻尼的求解10.3.3　幾種常見結(jié)構(gòu)的阻尼力解10.3.4　氣體壓膜阻尼的擠壓效應10.3.5　其他因素對壓膜阻尼力的影響10.4　滑膜阻尼10.4.1　滑膜阻尼基本方程10.4.2　圓柱質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的氣體阻尼10.4.3　無限大、薄多孔板間氣體壓膜阻尼分析第11章　作用力的尺度效應和行程效應11.1　作用力的尺度效應11.2　作用力的行程效應第12章　結(jié)構(gòu)力學的微尺度效應12.1　圓柱顆粒的分析12.2　偶應力理論12.3　一種特殊的應變梯度變形理論12.4　微梁彎曲第13章　微機械諧振陀螺的動力學特性13.1　陀螺哥氏效應13.2　動力學方程的建立13.3　微機械梳齒式陀螺的靜電驅(qū)動力13.4　動力學方程求解及討論13.4.1　常值角速度下檢測系統(tǒng)位移解13.4.2　諧變角速度下檢測系統(tǒng)的位移解13.4.3　一般變角速度下檢測系統(tǒng)的位移解參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章 微機電系統(tǒng)的發(fā)展與力學　　科學技術的發(fā)展使人類在探索宏觀世界的同時，也在向微觀世界進軍。1965年諾貝爾物理學獎的獲得者、著名物理學家費恩曼（Richard P．Feynman）教授曾敏銳地觀察到了這一領域在科學技術方面潛在的巨大推動作用。他曾在1959年的美國物理學會年會上發(fā)表了極富有遠見且具有開拓性的重要報告，“There’sP1enty of Room at the Bottom”，他在報告中預示了制造微小器具技術的出現(xiàn)，可以采用大型機器來制造比自己體積小的機器，而這小的機器又可以制造更小的機器，這是一條自上而下（Top．Down）從宏觀到微觀的發(fā)展途徑。同時，他還論述了人們可以按照希望的方式以原子、分子為模塊來構(gòu)筑各種物質(zhì)，這是一條自下而上（Bottom．Up）由小到大的新途徑。而且文中一些涉及微機械機理的觀點至今仍是該領域的重要研究課題?！　∥C電系統(tǒng)是以半導體（特別是硅）為材料，以IC（集成電路）加工技術為手段，以固態(tài)物性傳感器為背景發(fā)展起來的。20世紀80年代中期，美國加州大學Berke1ey分校、威州大學Madison分校等單位研究出了表面微加工技術。他們以多晶硅薄膜作為結(jié)構(gòu)材料，以磷硅玻璃作為犧牲層，制成了多晶硅壓力傳感器、硅梁和連桿等微機械運動部件。1987年美國加州大學Berke1ey分校研制出了轉(zhuǎn)子直徑為60um-120um的硅靜電微馬達，如圖1．1所示，顯示了應用集成電路制造技術加工微系統(tǒng)的優(yōu)勢。

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