微機(jī)電系統(tǒng)力學(xué)

內(nèi)容概要

　　《微機(jī)電系統(tǒng)力學(xué)》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(jī)電系統(tǒng)中各種微觀力的基本作用規(guī)律。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，涵蓋的領(lǐng)域日漸寬廣，市場(chǎng)前景及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響日益廣闊，人們對(duì)其原理、特性及規(guī)律的研究和認(rèn)識(shí)也日趨深入。微機(jī)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(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單縮小，更不是微電子技術(shù)的簡(jiǎn)單外延。在微納米尺度范圍內(nèi)，微結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為并不完全相似于宏觀的結(jié)構(gòu)，微機(jī)械的運(yùn)動(dòng)也并不完全相似于宏觀的機(jī)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(wèn)題。事實(shí)上，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)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(jī)械或微結(jié)構(gòu)方面，表現(xiàn)在微機(jī)械（或微結(jié)構(gòu)）與微電子的有機(jī)結(jié)合方面。微機(jī)械的運(yùn)動(dòng)、微結(jié)構(gòu)的變形、電子與機(jī)械的能量轉(zhuǎn)換、微系統(tǒng)的智能控制等都是微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)核心。而微機(jī)械的運(yùn)動(dòng)、微結(jié)構(gòu)的變形、機(jī)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(xué)環(huán)境。從力學(xué)的角度看，微納米尺度下的力學(xué)環(huán)境相對(duì)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(rèn)為微不足道的因素都有可能成為微機(jī)電系統(tǒng)中的重要因素。因此，就當(dāng)前的科技發(fā)展水平，系統(tǒng)地闡述微納米尺度下的力學(xué)特性、力學(xué)行為和力學(xué)規(guī)律是很必要的。

作者簡(jiǎn)介

　　高世橋，1961年6月生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，享受國(guó)務(wù)院政府津貼，德國(guó)洪堡基金獲得者?，F(xiàn)任教于北京理工大學(xué)宇航科學(xué)技術(shù)學(xué)院，從事非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、沖擊動(dòng)力學(xué)及微機(jī)電技術(shù)研究。先后在國(guó)際、國(guó)內(nèi)的重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文80余篇。獲多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

符號(hào)說(shuō)明緒論第1章　微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展與力學(xué)1.1　微機(jī)電系統(tǒng)的起源1.2　微機(jī)電系統(tǒng)的定義與內(nèi)涵1.3　微機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)1.4　微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展1.5　微機(jī)電系統(tǒng)的材料和微加工技術(shù)1.6　商品化的趨勢(shì)1.7　微機(jī)電系統(tǒng)對(duì)力學(xué)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(jī)電系統(tǒng)中的力第3章　靜電力3.1　庫(kù)侖定律3.2　電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度3.3　電勢(shì)3.4　電偶極子3.4.1　電偶極子的電場(chǎng)3.4.2　電偶極子電場(chǎng)的電勢(shì)3.5　電多極子與電勢(shì)的多極展開(kāi)3.5.1　單極子項(xiàng)3.5.2　偶極子項(xiàng)3.5.3　四板子項(xiàng)第4章　電—磁力4.1　洛侖茲力4.1.1　帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)4.1.2　帶電粒子在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受到的磁力4.2.4　載流線圈在磁場(chǎng)中所受到的磁力矩4.2.5　平行載流導(dǎo)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(chǎng)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(dǎo)偶極相互作用5.6　倫敦（London）—范德瓦爾斯（色散）力5.7　分子問(wèn)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(diǎn)能量”及卡西米爾力的探索6.1.2　卡西米爾效應(yīng)的進(jìn)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(yīng)6.2.3　卡西米爾力的量子力學(xué)闡釋6.3　金屬板間的卡西米爾力及做功6.3.1　兩平行導(dǎo)電金屬板之間的卡西米爾力6.3.2　兩平行移動(dòng)的平行平面的卡西米爾力6.3.3　平板間距離變化時(shí)卡西米爾力作功6.4　卡西米爾力對(duì)微加速度計(jì)性能的影響第7章　微結(jié)構(gòu)靜電場(chǎng)及電場(chǎng)力7.1　無(wú)限大平板模型7.2　考慮邊緣效應(yīng)模型7.2.1　基于分離變量法得到的級(jí)數(shù)解7.2.2　基于保角變換計(jì)算式7.2.3　考慮極板厚度時(shí)的邊緣效應(yīng)7.2.4　邊緣效應(yīng)模型對(duì)比與分析7.3　非平行平板電容器的電容計(jì)算7.4　梳狀結(jié)構(gòu)電容的拐角效應(yīng)第8章　毛細(xì)力8.1　毛細(xì)現(xiàn)象8.2　毛細(xì)原理8.3　毛細(xì)模型8.3.1　表面張力8.3.2　接觸角與潤(rùn)濕現(xiàn)象8.3.3　拉普拉斯方程8.4　毛細(xì)力在平行板間的作用8.4.1　液橋毛細(xì)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)械熱噪聲9.3.4　電容加速度計(jì)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(jī)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(dòng)基本概念及流速分類10.2　流體動(dòng)力學(xué)基本方程及邊界條件10.2.1　流體動(dòng)力學(xué)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(jiàn)結(jié)構(gòu)的阻尼力解10.3.4　氣體壓膜阻尼的擠壓效應(yīng)10.3.5　其他因素對(duì)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(wú)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(yīng)和行程效應(yīng)11.1　作用力的尺度效應(yīng)11.2　作用力的行程效應(yīng)第12章　結(jié)構(gòu)力學(xué)的微尺度效應(yīng)12.1　圓柱顆粒的分析12.2　偶應(yīng)力理論12.3　一種特殊的應(yīng)變梯度變形理論12.4　微梁彎曲第13章　微機(jī)械諧振陀螺的動(dòng)力學(xué)特性13.1　陀螺哥氏效應(yīng)13.2　動(dòng)力學(xué)方程的建立13.3　微機(jī)械梳齒式陀螺的靜電驅(qū)動(dòng)力13.4　動(dòng)力學(xué)方程求解及討論13.4.1　常值角速度下檢測(cè)系統(tǒng)位移解13.4.2　諧變角速度下檢測(cè)系統(tǒng)的位移解13.4.3　一般變角速度下檢測(cè)系統(tǒng)的位移解參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展與力學(xué)　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類在探索宏觀世界的同時(shí)，也在向微觀世界進(jìn)軍。1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者、著名物理學(xué)家費(fèi)恩曼（Richard P．Feynman）教授曾敏銳地觀察到了這一領(lǐng)域在科學(xué)技術(shù)方面潛在的巨大推動(dòng)作用。他曾在1959年的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表了極富有遠(yuǎn)見(jiàn)且具有開(kāi)拓性的重要報(bào)告，“There’sP1enty of Room at the Bottom”，他在報(bào)告中預(yù)示了制造微小器具技術(shù)的出現(xiàn)，可以采用大型機(jī)器來(lái)制造比自己體積小的機(jī)器，而這小的機(jī)器又可以制造更小的機(jī)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(shí)，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(lái)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(jī)械機(jī)理的觀點(diǎn)至今仍是該領(lǐng)域的重要研究課題?！　∥C(jī)電系統(tǒng)是以半導(dǎo)體（特別是硅）為材料，以IC（集成電路）加工技術(shù)為手段，以固態(tài)物性傳感器為背景發(fā)展起來(lái)的。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)加州大學(xué)Berke1ey分校、威州大學(xué)Madison分校等單位研究出了表面微加工技術(shù)。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(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。1987年美國(guó)加州大學(xué)Berke1ey分校研制出了轉(zhuǎn)子直徑為60um-120um的硅靜電微馬達(dá)，如圖1．1所示，顯示了應(yīng)用集成電路制造技術(shù)加工微系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

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