微型機(jī)械整理資料

微型機(jī)械整理資料第一篇中文資料整理一、微型機(jī)械的概念及特點(diǎn)微型機(jī)械（Micromachine，日本慣用詞）或稱微型機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSyetems，即MEMS，美國(guó)慣用詞）或微型體統(tǒng)（Microsyetems，歐洲管用詞）是指可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、甚至外圍接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)有：體積小（特征尺寸范圍為1nm一10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定；有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短；集約高技術(shù)成果，附加價(jià)值高等。微型機(jī)械的目的不僅僅在于縮小尺寸和體積，其目標(biāo)更在于通過微型化、集成化來(lái)探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，形成批量化業(yè)。微型機(jī)械技術(shù)是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域，它研究和控制物質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能尺寸或分辨能力，達(dá)到微米至納米尺度。微型機(jī)械技術(shù)涉及電子、電氣、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)、光學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物技術(shù)等多種工程技術(shù)和科學(xué)并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的許多尖端成果。微型機(jī)械的特點(diǎn)決定了它廣泛的應(yīng)用前景。微型機(jī)械系統(tǒng)可以完成大型機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。微型機(jī)械與電子技術(shù)緊密結(jié)合，將使種類繁多的微型器件問世，這些微型器件采用大批量集成制造，價(jià)格低廉，將廣泛地應(yīng)用于人類生活眾多領(lǐng)域。在21世紀(jì)，微型機(jī)械將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物醫(yī)療、空間、國(guó)防等的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。二、微型機(jī)械加工技術(shù)微型機(jī)械加工技術(shù)是微型機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)非常重要又非常活躍的技術(shù)領(lǐng)域，其發(fā)展不僅可帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，更是與國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)息息相關(guān)。微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展也有著巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。微型機(jī)械加工技術(shù)是指制作微機(jī)械或微型裝置的微細(xì)加工技術(shù)。微細(xì)加工的出現(xiàn)和發(fā)展最早是與大規(guī)模集成電路密切相關(guān)的，集成電路要求在微小面積的半導(dǎo)體材料上能容納更多的電子元件，以形成功能復(fù)雜而完善的電路，電路微細(xì)圖案中的最小線條寬度是提高集成電路集成度的關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)志，微細(xì)加工對(duì)微電子工業(yè)而言就是—種加工尺度從微米到納米量級(jí)的制造微小尺寸元器件或薄膜圖形的先進(jìn)制造技術(shù)。目前微型機(jī)械加工技術(shù)主要有基于從半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面加工工藝和體加工工藝，80年代中期以后在LIGA（光刻電鑄）加工、準(zhǔn)LIGA加工、超微細(xì)機(jī)械加工、微細(xì)電火花加工（EDM）、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、快速原型制造（RPM）以及鍵合技術(shù)等微細(xì)加工工藝方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。1、國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀1959年，RichardP.Feynman（1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）就提出了微型機(jī)械的設(shè)想。1962年第一個(gè)硅微型壓力傳感器問世。其后開發(fā)出尺寸為50-500μm的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)接件等微型機(jī)械。1965年，斯坦福大學(xué)研制出硅腦電極探針，后來(lái)又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為60-12μm的硅微型靜電電動(dòng)機(jī)，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。微型機(jī)械在國(guó)外已受到政府部門、企業(yè)界、高等學(xué)校與研究機(jī)構(gòu)的高度重視。美國(guó)的MlT、Berkeley、Stanford、AT＆T和NSF的15名科學(xué)家在20世紀(jì)80年代未就提出“小機(jī)器、大機(jī)遇：關(guān)于新興領(lǐng)域—微動(dòng)力學(xué)的報(bào)告”的國(guó)家建議書，聲稱“由于微動(dòng)力學(xué)（微系統(tǒng)）在美國(guó)的緊迫性，應(yīng)在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”，建議中央財(cái)政預(yù)支費(fèi)用為5年5000萬(wàn)美元，得到美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重視，連續(xù)大力投資，并把航空航天、信息和MEMS作為科技發(fā)展的三大重點(diǎn)。1994年發(fā)布的《美國(guó)國(guó)防部國(guó)防技術(shù)計(jì)劃》報(bào)告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局積極領(lǐng)導(dǎo)和支持MEMS的研究和其軍事應(yīng)用，現(xiàn)已建造一條MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝線以促進(jìn)新型元件／裝置的研究與開發(fā)。美國(guó)工業(yè)界主要致力于壓力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變儀和加速度表等傳感器有關(guān)領(lǐng)域的研究。有關(guān)微型機(jī)械系統(tǒng)的工作幾乎全部在大學(xué)進(jìn)行，如康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、密執(zhí)安大學(xué)、威斯康星大學(xué)等。勞倫茲利莫爾國(guó)家研究所也參于MEMS開發(fā)工作，加州大學(xué)伯克利傳感器和執(zhí)行器中心（BSAC）得到國(guó)防部和十幾家公司資助1500萬(wàn)美元后，建立了1115平方米研究開發(fā)MEMS的超凈實(shí)驗(yàn)室。日本通產(chǎn)省1991年開始啟動(dòng)一項(xiàng)為期10年的耗資250億日元的“微型機(jī)械”大型研究計(jì)劃，研制兩臺(tái)樣機(jī)，—臺(tái)用于醫(yī)療，進(jìn)入人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)，另—臺(tái)用于工業(yè)，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和原子能設(shè)備的微小裂紋實(shí)施維修。該汁劃有筑波大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、早稻田大學(xué)和富士通研究所等幾十家單位參加。歐洲工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼對(duì)微型系統(tǒng)的研究開發(fā)進(jìn)行了重點(diǎn)投資，德國(guó)首創(chuàng)的LIGA工藝為MEMs的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段，并已成為三維結(jié)構(gòu)制作的優(yōu)選工藝。歐共體組成“多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)NEXUS”，聯(lián)合協(xié)調(diào)46所企業(yè)和64個(gè)研究所的研究。瑞士在其傳統(tǒng)的鐘表制造業(yè)和小型精密機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)上也投入丁MEMS的開發(fā)工作，1992年投資為1000萬(wàn)美元。英國(guó)政府也制定了納米科學(xué)計(jì)劃，在機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域列出8個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究與開發(fā)。為了加強(qiáng)歐洲開發(fā)MEMS的力量，一些歐洲公司已組成MEMS開發(fā)集團(tuán)。目前已有大量的微型機(jī)械或微型系統(tǒng)被研制出來(lái)，例如：尖端直徑為5μm的微型鑷子可以?shī)A起一個(gè)紅血球，尺寸為7mmx7mmx2mm的微型泵流量可達(dá)250μl／min，能開動(dòng)的3mm大小的汽車，在磁場(chǎng)中飛行的機(jī)器蝴蝶，以及集微型速度計(jì)、微型陀螺和信號(hào)處理系統(tǒng)為一體的微型慣性測(cè)量組合（MIMU）。德國(guó)創(chuàng)造丁LIGA工藝，制成了懸臂梁、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及微型泵、微型噴嘴，濕度、流量傳感器，多種光學(xué)器件。美國(guó)加州理工學(xué)院在飛機(jī)翼面粘上相當(dāng)數(shù)量的1mm左右的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。美國(guó)大批量生產(chǎn)的硅微加速度計(jì)把微型傳感器（機(jī)械部分）和集成電路（電信號(hào)源、放大器、信號(hào)處理和自檢正電路等）—起集成在3mmX3mm硅片上。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床可加工精度達(dá)1.5μm的微細(xì)軸。2、國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、教育部和總裝備部的資助下，一直在跟蹤國(guó)外的微型機(jī)械研究，積極開展MEMS的研究?，F(xiàn)有微電子設(shè)備和同步加速器為微系統(tǒng)研究提供了基本條件，微型驅(qū)動(dòng)器和微型機(jī)器人的開發(fā)早已列入國(guó)家863高技術(shù)計(jì)劃及攀登計(jì)劃B中。已有近40個(gè)研究小組，取得了一些研究成果。廣東工業(yè)大學(xué)與日本筑波大學(xué)合作，開展了生物和醫(yī)用微型機(jī)器人的研究，已研制出一維、二維聯(lián)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，其位移范圍分別為5μm和50μmx50μm，在此基礎(chǔ)上，還研制出位移范圍為50μmx50μmx50μm，精度為0.1μm的三自由度壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了電致伸縮陶瓷驅(qū)動(dòng)的二自由度微型機(jī)器人，其位移范圍為10μmx10μm，位移分辨率為0.01μm，正在研制六自由度微型機(jī)器人；長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)器研究所研制出直徑為3mm的壓電電功機(jī)、電磁電動(dòng)機(jī)、微測(cè)試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制以直徑為400μm的多晶硅齒輪、氣動(dòng)渦輪、微靜電電動(dòng)機(jī)和壓電電動(dòng)機(jī)；清華大學(xué)開展并研制出了微電動(dòng)機(jī)、多晶硅梁結(jié)構(gòu)、微泵與閥。上海交通大學(xué)研制出直徑為2mm的電磁電功機(jī)，南開大學(xué)開展了微型機(jī)器人的控制技術(shù)的研究等。3、微型機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)微型機(jī)械的發(fā)展剛剛經(jīng)歷了十幾年，在加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)發(fā)展了一批微小器件和系統(tǒng)，顯示了巨大生命力。到2000年，壓力傳感器將居市場(chǎng)的主導(dǎo)地位（25％）、其次為光學(xué)開關(guān)（21％）、慣性傳感器（20％）、流體調(diào)節(jié)與控制（19％）、大容量存儲(chǔ)器（6％）和其他器件（9％）。1995年全世界微型機(jī)械的銷售額為15億美元，到2000年將猛增至139億美元，并帶動(dòng)2000億美元的相關(guān)市場(chǎng)，顯然微型機(jī)械及其加工技術(shù)有著巨大的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。微型機(jī)械是一門交叉科學(xué)，和它相關(guān)的每一技術(shù)的發(fā)展都會(huì)促使微型機(jī)械的發(fā)展。隨著微電子學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)等的不斷發(fā)展，微型機(jī)械具備了更好發(fā)展基礎(chǔ)，加上巨大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益以及政府、企業(yè)的重視，微型機(jī)械發(fā)展必將有更大的飛躍，新原理、新功能、新結(jié)構(gòu)體系的微傳感器、微執(zhí)行器和系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，并可嵌入大的機(jī)械設(shè)備，提高自動(dòng)化和智能化水平。三、微小型化的尺寸效應(yīng)和納米摩擦學(xué)1、微小型化的尺寸效應(yīng)伴隨著機(jī)械構(gòu)件的微小化將出現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即制造微構(gòu)件的材料性能特別是力學(xué)性能將發(fā)生很大變化，微型機(jī)械的微小型化的尺寸效應(yīng)通常出現(xiàn)在構(gòu)件的一定尺寸范圍內(nèi)，尺寸效應(yīng)反映在多方面：（1）力的尺寸效應(yīng)。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸的高次方成比例的慣性力、電磁力（L3）等的作用相應(yīng)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（L2）、表面張力（L1）、靜電力（L0）等的作用相對(duì)較大。（2）表面效應(yīng)。隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對(duì)增大，因而傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等加速，表面間的摩擦阻力顯著增大。（3）誤差效應(yīng)。對(duì)于微小構(gòu)件，加工誤差與構(gòu)件尺寸之比相對(duì)增大，這可能使微小機(jī)械的特性受誤差影響甚大。（4）材料性能。尺寸減小，材料內(nèi)部缺陷減少，材料的機(jī)械強(qiáng)度大幅度增大。微型薄膜構(gòu)件的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、殘余內(nèi)應(yīng)力、斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度等與傳統(tǒng)構(gòu)件的不盡相同，當(dāng)尺寸減小到一定程度，有些表征材料性能的宏觀物理量需要重新定義。2、納米摩擦學(xué)隨著尺寸減小，人們需進(jìn)一步研究微動(dòng)力學(xué)、微細(xì)管道流體特性、微小物體的熱力特性、微觀摩擦機(jī)理及仿真、擬實(shí)技術(shù)等。微觀摩擦機(jī)理主要指納米摩擦學(xué)，其是建造微型機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)，納米摩擦學(xué)是在原子、分子尺度范圍內(nèi)，研究摩擦界面上的行為與損傷及其對(duì)策，包括納米膜潤(rùn)滑和微摩擦磨損機(jī)理，以及表面和界面的分子（原子）工程研究，即通過材料表面改性或建立超薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)，達(dá)到減摩耐磨的目的。微型機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工對(duì)納米摩擦學(xué)的研究和發(fā)展提出以下幾方向的要求：（1）對(duì)于微型機(jī)械系統(tǒng)中作為運(yùn)動(dòng)阻力的摩擦，應(yīng)盡可能地降低摩擦能耗，甚至實(shí)現(xiàn)零摩擦。另一方面，微型機(jī)械系統(tǒng)往往利用摩擦作為牽引力或驅(qū)動(dòng)力，例如在管道內(nèi)爬行的微型機(jī)器人，即是利用管壁摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值，而且可以適時(shí)地進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。（2）通過超精密制造的微型機(jī)械，其摩擦副的間隙常處于納米量級(jí)甚至零間隙。這種情況下的摩擦磨損和潤(rùn)滑問題，不能再用宏觀摩擦學(xué)的理論來(lái)分析和處理，而必須研究以界面上的原子、分子為分析對(duì)象的納米摩擦學(xué)。近年來(lái)研究表明，由于納米尺度的超細(xì)顆粒制備的表面膜具有不同于整體材料的獨(dú)特性能，而超薄潤(rùn)滑膜的性質(zhì)也不同于粘件流體膜和吸附邊界膜，通過界面分子工程可望形成低剪切和高承載量的界面層。（3）納米摩擦學(xué)在微型機(jī)械中另—個(gè)主要研究領(lǐng)域是建立以分子（原子）動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬研究，其基本要點(diǎn)是建立一個(gè)粒子系統(tǒng)，以模擬所研究的摩擦學(xué)現(xiàn)象，通過數(shù)值方法，計(jì)算該系統(tǒng)中所有粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再由統(tǒng)計(jì)平均求得系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)和行為。應(yīng)用分子（原子）動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，在表面接觸形態(tài)和微觀變形、滑潤(rùn)劑分子層的剪切性能，以及超薄潤(rùn)滑膜流變特性和相交等方面也取得重要進(jìn)展。（4）微型機(jī)電系統(tǒng)中帶電接觸副和摩擦副的微觀摩擦磨損與防護(hù)，以及要求超凈環(huán)境的微觀密封技術(shù)等，也是納米摩擦學(xué)中有持研究的重要課題。納米摩擦學(xué)是微型機(jī)械學(xué)中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，己取得重大突破。在實(shí)驗(yàn)研究方面，已經(jīng)建立了研究界面分子層摩擦磨損行為和超薄膜潤(rùn)滑機(jī)理比較完善手段和測(cè)量?jī)x器，包括不同納米間隙下摩擦界面上作用力和粘著能量測(cè)量，表面分子涂層和超潔凈表面摩擦特性實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)用原子力顯微鏡和分子力顯微鏡研究表面納米厚度層的力學(xué)性質(zhì)，以及單分子吸附膜的摩擦力和流變特性，根據(jù)光干涉相對(duì)光強(qiáng)原理研制的薄膜測(cè)量?jī)x用納米潤(rùn)滑薄膜特性研究等。通過實(shí)驗(yàn)研究已提出了微摩擦起因、界面粘著機(jī)理以及邊界潤(rùn)滑膜的構(gòu)性關(guān)系等一系列觀點(diǎn)。四、微型機(jī)械材料和微型構(gòu)件微型機(jī)械加工所用制造材料主要有硅體物質(zhì)（單晶硅、多晶硅、處延硅層、二氧化硅、氮化硅、碳化硅）、光致抗蝕劑、石英、金剛石、壓電陶瓷、記憶合金和稀貴金屬等。具中最主要的基礎(chǔ)材料是單晶硅，迄今幾乎所有微型機(jī)械基本上都是以單晶硅為基底，在其中進(jìn)行各種平面或體加工而制成的，這是因?yàn)閱纹饭栌腥缦绿攸c(diǎn)：一是由于它有最適宜于微細(xì)加工的結(jié)構(gòu)和特性，擁有類似于金剛石的晶體結(jié)構(gòu)；二是由于它比多數(shù)金屬硬度高，有適用于微型機(jī)械應(yīng)用的足夠機(jī)械強(qiáng)度和耐疲勞的能力；三是由于其來(lái)源廣泛，提純和控制技術(shù)成熟，為制造價(jià)廉的微型機(jī)械提供了先決條件。對(duì)于新發(fā)展的可動(dòng)型微型機(jī)械，因單晶硅有脆性大、摩擦系數(shù)大、高速運(yùn)動(dòng)下易斷裂的缺點(diǎn)，一般都采用多晶硅制造，但通常仍需以單晶硅為基底，再在單晶體上淀積多晶硅，然后對(duì)多晶硅進(jìn)行各種構(gòu)形加工。微結(jié)構(gòu)材料由于其特殊的制造方法而具有與整體材料不同的物理性能，整體材料通常經(jīng)熔煉、壓延、切削加工等成形過程，而微機(jī)械構(gòu)件大多用氣相、液相或固相法等完全不同的方法制造，它們的物理性能與制造過程密切相關(guān)，而且材料性能隨著構(gòu)件結(jié)構(gòu)和加工制造方法和工藝參數(shù)變化很大。微型機(jī)械零件所用材料可依據(jù)構(gòu)件的功能和加工制造方法來(lái)選擇。（1）功能材料。用于致動(dòng)的功能材料有水晶、氧化錫、PZT等電致伸縮材料；鈦鎳合金等形狀記憶合金材料；鎳鐵合金等永磁材料；受熱變相的凝膠材料等。（2）構(gòu)造材料。半導(dǎo)體微細(xì)加工材料包括單晶硅、多晶硅、氮化硅等硅材料；陶瓷等非金屬材料；聚酰亞胺等高分子材料；鋁、鎢、鉬、鉻、金等金屬材料。LIGA加工方法主要以鎳、銅、金等金屬材料和塑料為主。超精密機(jī)械加工則以各種金屬材料為構(gòu)造材料。微型構(gòu)件除是MEMS的重要組成都分外，還可能有單獨(dú)的用途，如微型熱交換器、冷卻器、微型濾波器、蒸餾塔、微型工具、微型探針和靈巧軸承等。五、微型機(jī)械的測(cè)試技術(shù)微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展離不開微型機(jī)械測(cè)試技術(shù)裝置的發(fā)展。這其中最令人振奮的是掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope即STM）的出現(xiàn)，IBM蘇黎世研究所的Binnig和Bohrer在80年代初成功地發(fā)明了這種儀器，為此獲得1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)，接著又在STM基礎(chǔ)上派生出原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope即AFM）。STM是利用導(dǎo)體針尖與樣品之間的隧道電流，并用精密壓電晶體控制導(dǎo)體針尖沿樣品的表面掃描，從而能以原子尺度記錄樣品的表面形貌以及獲得原子排列、電子結(jié)構(gòu)等信息。STM的主體由三維掃描控制器、樣品逼近裝置、減震系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集和圖像分析系統(tǒng)等組成，STM工作原理是利用量子隧道效應(yīng)。STM的縱向分辨率己達(dá)到0.01nm，橫向分辨率優(yōu)于0.2nm。STM可用來(lái)研究各種金屬、半導(dǎo)體、生物樣品的表面形貌，也可研究表面沉積、表面原子擴(kuò)散和徙動(dòng)，表面粒子的成核和生長(zhǎng)、吸附和膠附等。STM可在真空、溶液、常溫、低溫等不同環(huán)境下工作。使用STM和AFM等這類顯微鏡，可以觀察到原子、分子的結(jié)構(gòu)，從宏觀進(jìn)入到了微觀世界。STM的出現(xiàn)在國(guó)際上一度掀起了巨大熱潮。根據(jù)不同檢測(cè)物理量，基于STM發(fā)展起來(lái)了一系列利用探針與樣品的不同相互作用來(lái)探測(cè)表面或界面納米尺寸上表現(xiàn)出來(lái)的物理與化學(xué)性質(zhì)的掃描探針顯微鏡SPM（ScanningProbeMicroscope）。此外，光學(xué)干涉顯微測(cè)量技術(shù)亦得到長(zhǎng)足發(fā)展，如外差干涉測(cè)量技術(shù)、超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)隨著一些新技術(shù)、新方法的應(yīng)用亦具有納米級(jí)測(cè)量精度。新型微型機(jī)械的測(cè)試儀器對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域有重大意義和更廣闊應(yīng)用前景，最近利用STM、AFM檢測(cè)表面粗糙度和晶粒高度差，已相當(dāng)成功。更為可喜的是，基于STM的納米加工技術(shù)，可操縱原子和分子。如美國(guó)IBM公司利用STM將35個(gè)Xe原子構(gòu)成“IBM”三個(gè)字母。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所通過STM，將原子擺放成我國(guó)的地圖；預(yù)計(jì)STM將會(huì)有更大突破，如華中理工大學(xué)利用STM—AFM做了金剛石刀尖鈍圓半徑的測(cè)量。已有信息表明，人們可利用STM做更高集成度的大規(guī)模集成電路。如在硅片上覆蓋一層20nm厚的聚甲基丙烯甲酯，再利用STM光刻，可得到10nm寬的線條。最近為了突破高分辨率的大尺寸的測(cè)量，日本松下技研（株）將AFM探針裝到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭上，制造了一臺(tái)納米分辨率精度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；中國(guó)科技大學(xué)精密機(jī)械和精儀系，研制成與光學(xué)顯微鏡結(jié)合的STM，在CCD攝像機(jī)監(jiān)控下，利用XY沖擊式樣品臺(tái)，可將針尖移動(dòng)到10mmxl0mm樣品上的特定區(qū)域上掃描，儀器是有原子級(jí)量級(jí)的分辨率，最大掃描范圍可達(dá)2μmx2μm。東京大學(xué)高增潔介紹最近研制了以納米分辨率級(jí)的nano—CMM（nano—三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)），這對(duì)當(dāng)前微機(jī)械發(fā)展提供了較好環(huán)境條件。以上資料摘自：盛曉敏,鄧朝暉.先進(jìn)制造技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版杜,2000.9:177-189.蘇繼龍介紹了微構(gòu)件外形幾何尺寸和材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其彈、塑性力學(xué)性能尺度效應(yīng)耦合影響的實(shí)驗(yàn)和模型研究的國(guó)內(nèi)外重要進(jìn)展。主要介紹了拉伸試驗(yàn)方面、彎曲試驗(yàn)方面及模型分析方面的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展情況，并指出這些研究存在的不足：（1）只從微構(gòu)件某一個(gè)尺寸的角度（如厚度）展開，且測(cè)試數(shù)據(jù)離散性較大，一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果的通用性和權(quán)威性；（2）尚缺少定量描述尺寸效應(yīng)與構(gòu)件外形尺寸和材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)尺寸之間耦合影響關(guān)系的模型，也未能全面闡明尺度效應(yīng)多尺寸影響的內(nèi)在物理機(jī)理。提出了今后的研究方向：綜合考慮微構(gòu)件外形尺寸和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其力學(xué)性能的影響，建立預(yù)測(cè)其力學(xué)性能尺度效應(yīng)的分析模型，探索彈性和塑性尺度效應(yīng)過渡區(qū)的尺寸相關(guān)的特征及基于位錯(cuò)的微觀機(jī)理。文永蓬以提高微機(jī)械陀螺性能為目的，設(shè)計(jì)了一種新穎的音義振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都提出過各種不同的MEMS動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真方法，其中以MIT的Gabbay博士提出的黑箱模型以及CarnegieMellon大學(xué)的Fedder教授提出的節(jié)點(diǎn)分析法最為有名[1]各種基于等效電路法與混合信號(hào)硬件描述語(yǔ)言法(VHDL-AMS)的MEMS動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真軟件，如NODAS[1],SUGAR[2]軟件也逐漸被應(yīng)用到了MEMS設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。[1]VandemeerJE.Nodaldesignofactuatorsandsensors[D].Pittsburgh,USA:CarnegieMellonUniversity,1998.[2]BaiZ,BindelD,ClarkJ,etal.NewnumericaltechniquesandtoolsinSUGARfor3DMEMSsimulation[A].TechnicalProceedingsofthe2001InternationalConferenceonModelingandSimulationofMicrosystems[c].Orlando,USA:NanoScience&TechnologyInstitute,2001.31-34.隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)構(gòu)的特征尺寸及相互間距常處于微米、納米量級(jí)，因此需要考慮量子力的影響，如Casimir力。常更生華對(duì)平行平面間的Casimir力進(jìn)行分析，表明隨著間距的減小Casimir力會(huì)迅速增人，然后得出微彈簧震子的結(jié)構(gòu)模型，通過模型的受力和動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)發(fā)生粘附效應(yīng)不僅與其自身的特征參數(shù)C有關(guān)，還同被粘附構(gòu)件的初始位置或初始能量有關(guān)。許多微尺度實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一些材料在微尺度下的力學(xué)性能存在尺寸效應(yīng)?？讋倮谝环N修正偶應(yīng)力理論，研究細(xì)長(zhǎng)壓桿屈曲載荷的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，利用變分原理得到細(xì)長(zhǎng)壓桿屈曲變形的控制方程和相應(yīng)的邊界條件。通過對(duì)相應(yīng)的屈曲邊值問題的求解，得到細(xì)長(zhǎng)壓桿的屈曲載荷表達(dá)式。結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)長(zhǎng)壓桿的特征尺寸與其材料本征尺度參數(shù)相當(dāng)時(shí)，其屈曲載荷顯著增大，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。微旋轉(zhuǎn)機(jī)械是MEMS中主要的驅(qū)動(dòng)裝置和動(dòng)力源，得到突破性進(jìn)展，先后出現(xiàn)了靜電微電機(jī)、微渦輪機(jī)、微發(fā)動(dòng)機(jī)等微旋轉(zhuǎn)機(jī)械。在微旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于IC(integratedcircuit)加工、裝配等原因，微轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生較大偏心，引起微轉(zhuǎn)了系統(tǒng)的振動(dòng)以至于產(chǎn)生碰摩，特別對(duì)于超高速微旋轉(zhuǎn)機(jī)械，當(dāng)偏心引起的振動(dòng)超過一定的限度，往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障。張文明以Jeffcott微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩力學(xué)模型和系動(dòng)微分方程，應(yīng)用現(xiàn)代非線性和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，采用定步長(zhǎng)四階Runge-Kutta法對(duì)運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行數(shù)值分析，得到微轉(zhuǎn)子偏心量變化時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，以偏心量為分岔參數(shù)分析微轉(zhuǎn)子碰摩時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)與非線性動(dòng)力特性，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論偏心量對(duì)微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。蘇繼龍多晶體材料微構(gòu)件尺度效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和模型研究MicronanoelectronicTechnologyVol.46No.10：610-615文永蓬基于滑膜阻尼的間接連接型音叉式微機(jī)械陀螺常更生華量子力對(duì)微、納米級(jí)機(jī)構(gòu)的影響研究機(jī)械設(shè)計(jì)Vol.22No.7:4-6孔勝利基于偶應(yīng)力理論的壓桿屈曲載荷的尺寸效應(yīng)機(jī)械強(qiáng)度2009,31(1):136-139張文明碰摩微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力特性研究機(jī)械強(qiáng)度2006,28(4):475-479賈延齡利用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的R．S．Huston法，對(duì)其中既有集中質(zhì)量載荷，又有均布質(zhì)量載荷，剛體間既允許有低副連接，也允許有高副連接，剛體運(yùn)動(dòng)既受串聯(lián)關(guān)系影響，又受并聯(lián)關(guān)系影響的復(fù)雜機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)，利用圖論描述其結(jié)構(gòu)，經(jīng)實(shí)施兩種性質(zhì)不同的減縮化，使之成為有根樹狀力學(xué)系統(tǒng)，建立起統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)模型．獲得了一般的動(dòng)力學(xué)方程?？刹捎肂royden法求解非線性方程，以及用Adams—PECE法求積。賈延齡復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析山東建材學(xué)院學(xué)報(bào)Vo1.11No.31997年9月:224-230李華用Adomian分解算法的思想，把機(jī)械系統(tǒng)中最一般的動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為一階標(biāo)準(zhǔn)型微分方程組，以形式上的精確解的表達(dá)式為基礎(chǔ)構(gòu)造了求解機(jī)械系統(tǒng)非線性模型近似解析解的A一算符方法(AOM)；在所建立的AOM的基礎(chǔ)上，首次提出了基于AOM的符號(hào)一數(shù)值方法(S—N方法)。最后，應(yīng)用AOM得到了單自由度凸輪一從動(dòng)件非線性系統(tǒng)模型近似解析解的表達(dá)式，分析了該算法的誤差。對(duì)兩自由度凸輪一從動(dòng)件非線性系統(tǒng)應(yīng)用基于AOM的S—N方法進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。算例表明，AOM是求解非線性方程的一種可行而有效的方法。李華機(jī)械非線性動(dòng)力學(xué)分析的A-算符方法機(jī)械工程學(xué)報(bào)Vo1.38No.7Ju1．2002:31-36微機(jī)械是人們認(rèn)識(shí)和改造微觀世界的一種高新技術(shù)，國(guó)際上至今對(duì)它還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。日本的一些學(xué)者根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征尺寸將微機(jī)械分為3種類型：1～100mm為微小型機(jī)械；10μm～lmm為微機(jī)械；10nm～10μm為納米機(jī)械。它在美國(guó)常稱為微機(jī)電系統(tǒng)，在日本稱作微機(jī)器，而在歐洲則稱作微系統(tǒng)，以其體積小，重量輕，慣性小，耗能低，性能穩(wěn)定，諧振頻率高，響應(yīng)時(shí)間短，生產(chǎn)成本低，利于大批量生產(chǎn)，附加值高等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、軍事和工農(nóng)業(yè)各方面有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)人類社會(huì)文明有重要意義。目前，對(duì)于微機(jī)械產(chǎn)品的研制開發(fā)主要側(cè)重于制造加工工藝方面，并且已取得了一定的進(jìn)展。然而，在微機(jī)械設(shè)計(jì)理論方面尚缺乏系統(tǒng)研究，這嚴(yán)重束縛了微機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展，微機(jī)械動(dòng)力學(xué)是微機(jī)械設(shè)計(jì)理論的一個(gè)重要組成部分。1、微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的意義微機(jī)械并非傳統(tǒng)意義下宏觀機(jī)械的幾何尺寸的縮小，當(dāng)系統(tǒng)特征尺寸達(dá)到微米或納米量級(jí)時(shí)，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界的情況有很大差別，如：在微機(jī)械中，構(gòu)件本身材料的物理性質(zhì)將會(huì)發(fā)生變化；一些微觀尺度的短程力所具有的長(zhǎng)程效應(yīng)及其引起的表面效應(yīng)會(huì)在微觀領(lǐng)域內(nèi)起主導(dǎo)作用；在微觀尺度下，系統(tǒng)的摩擦問題會(huì)更加突出，摩擦力則表現(xiàn)為構(gòu)件表面問的分子和原子的相互作用，而不再是由載荷的正壓力產(chǎn)生，并且當(dāng)結(jié)構(gòu)的特征尺寸減小到某一程度時(shí)，摩擦力甚至可以和系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力相比擬。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相對(duì)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面張力、靜電力等的作用相對(duì)增大。此外，微構(gòu)件的變形與損傷機(jī)制與宏觀構(gòu)件也不盡相同等等。針對(duì)微機(jī)械研究中呈現(xiàn)出的這些新特征，傳統(tǒng)的機(jī)槭動(dòng)力學(xué)理論與方法已不再適用，這已嚴(yán)重地限制了微機(jī)槭的發(fā)展，造成了目前微機(jī)電系統(tǒng)呈現(xiàn)“能看不能動(dòng)，能動(dòng)不能用”的狀況?？梢哉f，微機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究是當(dāng)前微機(jī)槭發(fā)展的一個(gè)瓶頸、微機(jī)械的發(fā)展迫切需要建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論。微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究微構(gòu)件材料的本構(gòu)關(guān)系、微構(gòu)的變形方式和阻尼機(jī)制、微機(jī)構(gòu)的彈性動(dòng)力學(xué)方程等主要科學(xué)問題，揭示微構(gòu)件材料的分子(或原子)成分和結(jié)構(gòu)與材料的彈性模量和泊松比、微構(gòu)件的剛度和阻尼以及微機(jī)械的彈性動(dòng)力學(xué)特性等之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而保證微機(jī)電系統(tǒng)在微小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量傳遞、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)控制功能，以規(guī)定的精度實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作。因此，微機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究將取得多方面的創(chuàng)新成果，這些成果不僅有重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，也有很好的應(yīng)用前景．2、微機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵問題納米量級(jí)的微機(jī)械一般為準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)或二維掩膜的縱深結(jié)構(gòu)，其組成構(gòu)件是由數(shù)十或數(shù)百個(gè)原子(或分子)組成，因此，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的傳統(tǒng)理論不再適合了。同時(shí)，隨著機(jī)械尺寸的減小，構(gòu)件材料的物理性質(zhì)及其對(duì)外界條件變化的響應(yīng)會(huì)有很大改變，微機(jī)槭的動(dòng)力特性和力學(xué)行為也均會(huì)發(fā)生變化，如，微觀摩擦學(xué)理論研究表明：在微觀尺度上受到的極輕載荷作用時(shí)，材料的摩擦磨損性能主要取決于它的表面物理和化學(xué)性質(zhì)而不是其力學(xué)性能。此外，微構(gòu)件的抵抗拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)的機(jī)械性能與宏觀范疇中的也有不同，而這些內(nèi)容正是微機(jī)械動(dòng)力學(xué)需要研究現(xiàn)象解決的。由于對(duì)微機(jī)械動(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(wú)論是在理論上還是實(shí)驗(yàn)上，都需要采用與傳統(tǒng)理論不同的研究方法。而量子力學(xué)、分子力學(xué)等現(xiàn)代物理學(xué)知識(shí)已揭示了物質(zhì)原子、分子間的相互作用，因此，可應(yīng)用量子力學(xué)等理論根據(jù)構(gòu)成微構(gòu)件的原子(或分子)情況，分析微構(gòu)件材料的彈性模量與泊松比，及構(gòu)件的剛度、阻尼等；雖然力的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使微機(jī)電系統(tǒng)表現(xiàn)的物理現(xiàn)象與宏觀機(jī)械有很大差別，但微機(jī)電系統(tǒng)的物理行為仍符合能量、動(dòng)量、質(zhì)量守恒原理，因此可考慮其各種力場(chǎng)、各種形式的能量等，依據(jù)這些原理建立其動(dòng)力學(xué)方程；由所建微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)現(xiàn)代非線性理論分析其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)特性，雖然難度較大，但肯定是可行的；現(xiàn)行的動(dòng)態(tài)仿真軟件為微機(jī)械的動(dòng)態(tài)仿真工作提供了有力的工具。綜上所述，微機(jī)械動(dòng)力學(xué)有待研究的內(nèi)容及其可實(shí)現(xiàn)的途徑可歸納如下：(1)應(yīng)用量子力學(xué)、分子力學(xué)及分子動(dòng)力學(xué)方法，從組成微構(gòu)件材料的原子或分子問的靜電力、誘導(dǎo)力、色散力、鉆穿力、阻尼力等各種作用力人手，研究微構(gòu)件材料的本構(gòu)關(guān)系，微構(gòu)件的剛度和阻尼；(2)微機(jī)械的加工工藝根本不同于傳統(tǒng)的宏觀機(jī)械，微機(jī)械的組成與宏觀機(jī)械有顯著差別，因此要借鑒宏觀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與綜合的理論和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)微組合機(jī)構(gòu)的微環(huán)境和特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行微組合機(jī)構(gòu)的分析和綜合研究；(3)在微機(jī)械系統(tǒng)中，各種作用力的相對(duì)關(guān)系也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，對(duì)宏觀機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力性能的描述有待修正甚至重新建立，這就需要綜合考慮粘性力、彈性力、表面張力、靜電力、慣性力、電磁力等的影響，由能量守恒原理建立微機(jī)電系統(tǒng)的彈性動(dòng)力學(xué)方程；(4)綜合應(yīng)用F1oquet理論、攝動(dòng)法、非線性解耦分析算法研究微機(jī)槭的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)以及臨界轉(zhuǎn)速等的關(guān)系；(5)根據(jù)以上研究的基礎(chǔ)，在三維動(dòng)態(tài)軟件平臺(tái)上開發(fā)微機(jī)械的動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，充分利用相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，并考慮各子系統(tǒng)是協(xié)同效應(yīng)，應(yīng)用有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想來(lái)進(jìn)行微機(jī)械系統(tǒng)的整體最優(yōu)設(shè)計(jì)。由于微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究涉及到介質(zhì)領(lǐng)域甚至微觀領(lǐng)域，所以系統(tǒng)中的各種力的作用效果及其動(dòng)力特性與宏觀結(jié)構(gòu)的不同，這些都是其研究的主要內(nèi)容，其中，需要解決的關(guān)鍵問題有：(1)微構(gòu)件材料中各種作用力的綜合影響，微構(gòu)件靜變形模式與振動(dòng)模態(tài)的確定；(2)考慮微機(jī)電系統(tǒng)各種力場(chǎng)能量的系統(tǒng)勢(shì)能計(jì)算；(3)各類參數(shù)相互耦合的強(qiáng)非線性微分方程的定性定量分析。蔡敢為微機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)V0L.l7No.12002年3月:24-26陳李提出了一種新型的電磁式微機(jī)械振動(dòng)環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)：為優(yōu)化陀螺的設(shè)計(jì)和提高陀螺的性能，在推導(dǎo)微機(jī)械陀螺集總參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，建立了電磁式微機(jī)械振動(dòng)環(huán)陀螺的數(shù)學(xué)模型，得到了影響陀螺靈敏度的因素，據(jù)此對(duì)陀螺參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法相結(jié)合來(lái)驗(yàn)證該模型和設(shè)計(jì)方案的可行性。陳李.一種電磁式微機(jī)械振動(dòng)環(huán)陀螺的建模與優(yōu)化.納米技術(shù)與精密工程.Vo1.7No.3,2009年5月:233-238葛金生在他的碩士學(xué)位論文《MEMS微結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究》中，以微電子機(jī)械系統(tǒng)中常用的傳感結(jié)構(gòu)一微懸臂梁為研究對(duì)象，在考慮尺度效應(yīng)和空氣粘性的情況下，以牛頓理論為基礎(chǔ)，通過應(yīng)變梯度理論和哈密頓變分原理建立微懸臂梁的動(dòng)力學(xué)方程，在對(duì)空氣阻尼進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，給出其封閉解。使用matlab語(yǔ)言編制仿真程序，對(duì)微懸臂梁的諧振頻率及其影響因素，包括尺度效應(yīng)進(jìn)行了分析。微系統(tǒng)的力學(xué)屬于細(xì)微尺度力學(xué)范疇，主要包括：微運(yùn)動(dòng)學(xué)和微動(dòng)力學(xué)理論、力一電一熱一光一磁一化學(xué)一生物藕合力學(xué)、微結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)理論、微摩擦學(xué)、微傳熱學(xué)、微系統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論、微測(cè)量技術(shù)。在支配物理現(xiàn)象的所有作用力中，長(zhǎng)度尺度是表征作用力類型的基本特征量。由于特征長(zhǎng)度的微小化，在系統(tǒng)中表現(xiàn)出靜電力>表面張力＞彈性力和粘性力>重力、慣性力和電磁力。因此，在微系統(tǒng)中，與體力相比表面力起主要作用。特別是微系統(tǒng)中器件的表面積與體積之比很大，更加突出和強(qiáng)化了表面力和其它表面效應(yīng)的作用。表面力是微系統(tǒng)中摩擦力的重要來(lái)源，尺度越小，相對(duì)摩擦力越大，因而摩擦力和粘性力成為微系統(tǒng)的主要問題。本文主要包括一下內(nèi)容：MEMS微結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析。通過對(duì)微懸臂梁力學(xué)模型的分析，建立系統(tǒng)在PZT激勵(lì)下的振動(dòng)微分方程，通過分離變量法和模態(tài)疊加法給出考慮空氣阻尼時(shí)，微懸臂梁振動(dòng)方程的封閉形式的解。以上面的理論為基礎(chǔ)，進(jìn)而得到超聲波激勵(lì)下，考慮空氣阻尼的微懸臂梁動(dòng)力學(xué)方程的解。MEMS微結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)，首先簡(jiǎn)單介紹尺度效應(yīng)的概念，明確微尺度對(duì)于微結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性具有較大影響。然后介紹了近年來(lái)發(fā)展比較快的偶應(yīng)力理論，通過COSSerat理論在本構(gòu)關(guān)系中引入材料的本征長(zhǎng)度，由Hamilton變分原理推導(dǎo)出在PZT激勵(lì)下，考慮空氣阻尼和尺度效應(yīng)的微懸臂梁的振動(dòng)方程。通過解此偏微分方程，得到其封閉形式解。以上面的理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出使用超聲波激勵(lì)時(shí)，動(dòng)力學(xué)方程解的封閉形式。動(dòng)力學(xué)仿真。給出具體的微梁參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)(空氣粘性系數(shù)和密度等)。使用matlab語(yǔ)言編制仿真程序，分析微懸臂梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(主要是諧振頻率)，并繪制相關(guān)的曲線。通過對(duì)仿真曲線的分析，研究了微懸臂梁的動(dòng)力學(xué)特性，為微器件的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。陳真勇通過建立微梁?jiǎn)卧娜S動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析方法，分別對(duì)帶有微梁斷裂、結(jié)構(gòu)固定的微機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。計(jì)算結(jié)果表明微梁斷裂使微機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度降低，從而導(dǎo)致其固有頻率變低，而結(jié)構(gòu)固定則相反。陳真勇帶缺陷的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析*機(jī)械工程學(xué)報(bào)2004年6月第40卷第6期:23-27栗大超在其博士學(xué)位論文中詳細(xì)分析了硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)，從器件的光機(jī)電特性理論分析方面系統(tǒng)地開展了新型硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的研究，討論和分析了硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性、機(jī)械沖擊響應(yīng)特性、微鏡的動(dòng)態(tài)變形特性和自重特性等力學(xué)理論問題；討論和分析了基于側(cè)壁驅(qū)動(dòng)與底座驅(qū)動(dòng)的扇形非線性電場(chǎng)靜電致動(dòng)方式與基于垂直扭轉(zhuǎn)梳齒結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致轉(zhuǎn)動(dòng)靜電致動(dòng)方式等硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器靜電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的致動(dòng)機(jī)理等電學(xué)理論問題；討論和分析了硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的光耦合插入損耗特性、微鏡鏡面的光學(xué)散射特性以及用于犧牲層釋放的腐蝕孔的光學(xué)衍射特性等光學(xué)理論問題，首次獲得了七種因素共同作用下硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器光耦合插入損耗的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在對(duì)硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的光機(jī)電特性系統(tǒng)地理論研究的基礎(chǔ)上提出了硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。栗大超硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)鏡光致動(dòng)器及其動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)的研究羅躍生在其博士學(xué)位論文研究了硅微型梳狀線振動(dòng)驅(qū)動(dòng)式陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了它的工作原理。得到其活動(dòng)質(zhì)量當(dāng)陀螺儀在慣性坐標(biāo)系中作定常角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的加速度表達(dá)式。并利用牛頓力學(xué)定律推導(dǎo)了硅微型梳狀線振動(dòng)驅(qū)動(dòng)式陀螺儀工作時(shí)所滿足的精確的微分方程模型。而且在不同情況下對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，利用方程的解分析了該陀螺儀的基本工作規(guī)律。利用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉動(dòng)力學(xué)方程，詳細(xì)地推導(dǎo)了振動(dòng)輪式微機(jī)械陀螺儀，框架式硅微角振動(dòng)陀螺儀和內(nèi)框驅(qū)動(dòng)雙框架式硅微角振動(dòng)陀螺儀精確的微分方程模型。并利用它的基本工作特點(diǎn)對(duì)該微分方程模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，討論了簡(jiǎn)化的合理性。而且在不同情況下對(duì)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，利用方程的解分析了振動(dòng)輪式微機(jī)械陀螺儀的基本工作規(guī)律。羅躍生硅微型陀螺儀的力學(xué)分析和數(shù)學(xué)模型燕山大學(xué)許立忠教授提出一種微型廣義復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)電集成靜電諧波微傳動(dòng)系統(tǒng)。該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由一個(gè)微柔性圓環(huán)和一個(gè)外環(huán)定子電極組成，外環(huán)定子電極和微柔性圓環(huán)之間被順序施加電壓，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)將導(dǎo)致微柔性圓環(huán)周期性的彈性變形，從而導(dǎo)致柔輪和定子之間靜電作用部位周期性的變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)柔輪和支撐軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的動(dòng)力輸出。祝翠榮以以施加電場(chǎng)力的微圓環(huán)為對(duì)象，建立了機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型。利用能量原理求解機(jī)電耦合作用力，通過對(duì)作用力進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開計(jì)算了微圓環(huán)的徑向位移，利用連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)原理，建立了系統(tǒng)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)方程。利用模態(tài)疊加法，分析簡(jiǎn)諧力激勵(lì)下的受迫振動(dòng)。同時(shí)給出了電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并分析了簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的電量變化。祝翠榮機(jī)電集成靜電諧波微傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)耿照新首先對(duì)兩種類型的微閥特性進(jìn)行了深入的研究，對(duì)懸臂梁閥片和具有四個(gè)折疊梁閥臂的閥片進(jìn)行了理論分析，并考慮了懸臂梁閥片在液體工作環(huán)境中的附加質(zhì)量和附加阻尼。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化并制作出閥片、閥座和閥孔，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定了SU一8膠閥片的工藝參數(shù)。結(jié)合對(duì)理論分析中影響微泵性能的諸多因素，制作了四種不同規(guī)格微泵。所研制四種結(jié)構(gòu)微泵采用雙層壓電梁驅(qū)動(dòng)，單面驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了微泵的結(jié)構(gòu)，便于封裝。耿照新基于MEMS技術(shù)的微閥和微泵的設(shè)計(jì)與研制謝興軍對(duì)現(xiàn)有典型的MEMS開關(guān)做了分析。謝興軍靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微波開關(guān)設(shè)計(jì)與仿真李瑰賢針對(duì)與原子力顯微鏡探針相似的微懸臂梁結(jié)構(gòu),利用宏觀模擬微觀的方法，研究了空氣中微懸臂梁的動(dòng)力學(xué)特性。首先，劃分了微懸臂梁的振動(dòng)階段,并建立了振動(dòng)過程中的動(dòng)力學(xué)模型，然后利用JKR理論分析了微懸臂梁與基體表面發(fā)生接觸變形的階段。結(jié)果表明，空氣中微懸臂梁的動(dòng)力學(xué)特性分析應(yīng)主要集中于存在液橋張力的階段,并證實(shí)振動(dòng)過程中基體表面有頸縮現(xiàn)象發(fā)生。李瑰賢空氣中類原子力顯微鏡懸臂梁的微梁動(dòng)力學(xué)分析孫東明對(duì)扭臂結(jié)構(gòu)的MEMS靜電微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了深入的研究，建立了分析模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析以及測(cè)試等方面的研究。首先通過有限元（FEM）模態(tài)分析，確定了微驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電壓作用下可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)模式，即扭臂的彎曲運(yùn)動(dòng)模態(tài)和扭臂的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模態(tài)，并給出了以上兩種運(yùn)動(dòng)模態(tài)的分析方法，對(duì)給定驅(qū)動(dòng)電壓條件下的兩種運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了微驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)模式。然后，對(duì)微驅(qū)動(dòng)器模型的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，討論了微驅(qū)動(dòng)器的靜電Pull-in現(xiàn)象，分別針對(duì)忽略空氣阻尼和考慮空氣阻尼的兩種情況，詳細(xì)討論了MEMS微驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性的分析結(jié)果。最后，介紹了采用CCD技術(shù)的光學(xué)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案，通過理論分析設(shè)計(jì)，優(yōu)化了實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)該采用的參量，并且測(cè)量結(jié)果同理論分析結(jié)果進(jìn)行了分析討論。根據(jù)靜電力矩和恢復(fù)力矩的平衡條件ME=MT，可以得到描述扭轉(zhuǎn)模態(tài)的電壓V和懸臂梁的偏移量Y的關(guān)系曲線，如圖2-8所示?？梢钥闯?，隨著驅(qū)動(dòng)電壓V的逐漸增加，偏移量Y逐漸增大；在曲線的A點(diǎn)處，懸臂梁的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生Pull-in現(xiàn)象，懸臂梁迅速向下移動(dòng)直至與下電極接觸。在微驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性分析中，需要考慮的力矩有：靜電力矩、恢復(fù)力矩、空氣阻尼力矩和自身重力力矩。對(duì)于平行板電容結(jié)構(gòu)的MEMS微驅(qū)動(dòng)器而言，阻尼主要來(lái)源于壓膜阻尼效應(yīng)。孫東明扭臂結(jié)構(gòu)的MEMS靜電微驅(qū)動(dòng)器的特性研究賈尚帥在其碩士學(xué)位論文微電子機(jī)械系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)研究中，以一個(gè)電阻、電感、電容（RLC）串聯(lián)電路與微梁耦合系統(tǒng)為對(duì)象，考慮系統(tǒng)的動(dòng)能、勢(shì)能、磁能和電場(chǎng)能，記入系統(tǒng)的耗散做功和非保守廣義力的影響，應(yīng)用Lagrange-Maxwell方程建立一個(gè)RLC串聯(lián)電路與微梁耦合的非線性動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用非線性振動(dòng)理論對(duì)微梁系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、微梁多模態(tài)系統(tǒng)以及RLC電路與微梁耦合系統(tǒng)分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在關(guān)于電容上極板吸合電壓分析中，得到一組固定參數(shù)下的吸合電壓值，對(duì)于系統(tǒng)施加的電壓應(yīng)不超過吸合電壓值。發(fā)現(xiàn)在微梁系統(tǒng)中，系統(tǒng)的固有頻率隨著電容兩極板間距的增大而增大，隨著激勵(lì)電壓的增大而減小。改變調(diào)諧值，能明顯的改變主共振、亞諧共振、超諧共振和參數(shù)共振振幅的大小，改變系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)的振幅和共振區(qū)的大小會(huì)發(fā)生改變并且在主共振響應(yīng)曲線中能觀察到“跳躍”和“滯后”現(xiàn)象。在電路線性系統(tǒng)中電流經(jīng)過短暫的振動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于微梁的多模態(tài)系統(tǒng)，在2:1內(nèi)共振研究中得到系統(tǒng)的固有頻率不能滿足2:1的條件；在3:1內(nèi)共振研究中得到系統(tǒng)方程之間的耦合項(xiàng)不能滿足發(fā)生3:1內(nèi)共振的條件；在雙重共振研究中，雖然系統(tǒng)的固有頻率之間能夠滿足線性關(guān)系，但是系統(tǒng)方程之間的耦合不能滿足恰當(dāng)?shù)鸟詈详P(guān)系。對(duì)于RLC串聯(lián)電路與微梁耦合系統(tǒng)，具有2:1內(nèi)共振關(guān)系的耦合系統(tǒng)兩個(gè)模態(tài)之間出現(xiàn)能量傳遞，并且能量從低模態(tài)向高模態(tài)完全轉(zhuǎn)移，但這種情況很不穩(wěn)定，微小的擾動(dòng)就會(huì)使其失去平衡，改變系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，其共振區(qū)和振幅的大小都會(huì)發(fā)生變化。在雙重共振的情況下，改變了響應(yīng)曲線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，其共振區(qū)和振幅的大小都會(huì)發(fā)生變化，由于內(nèi)共振抑制1/3亞諧共振的發(fā)生，導(dǎo)致時(shí)間響應(yīng)無(wú)限趨近穩(wěn)態(tài)，對(duì)于1/2亞諧、3次超諧、2次超諧和主參數(shù)共振都具有同樣的現(xiàn)象。正確建立非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是研究非線性問題的關(guān)鍵，對(duì)于機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)，機(jī)電分析動(dòng)力學(xué)[2]是一種有效的力學(xué)工具，它從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，研究物體運(yùn)動(dòng)在電磁場(chǎng)中發(fā)生相互作用的規(guī)律，并作為統(tǒng)一的方法，用于建立力學(xué)問題與電路、電磁場(chǎng)問題相耦合的微分方程組。賈尚帥微電子機(jī)械系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)研究朱二輝在其碩士學(xué)位論文微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)特性研究中，（1）建立微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的動(dòng)力學(xué)方程，分析動(dòng)力學(xué)方程中的剛度系數(shù)以及阻尼系數(shù)。（2）微機(jī)械振動(dòng)式陀螺中靜電力的作用：給出梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力大小計(jì)算公式，分析靜電的負(fù)剛度效應(yīng)、靜電負(fù)阻尼效應(yīng)和靜電吸和現(xiàn)象。（3）進(jìn)行靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的動(dòng)力學(xué)特性分析：根據(jù)拉哥郎日方程建立微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)方程，分析其動(dòng)力學(xué)特性，給出其靈敏度及其線性度的計(jì)算公式，考慮諧波角速度輸入時(shí)其帶寬特性。并對(duì)不同頻率匹配下的帶寬特性進(jìn)行模擬。（4）微機(jī)械陀螺中的主要誤差及噪聲分析：根據(jù)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的動(dòng)力學(xué)方程，分析微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的誤差及噪聲特性，并分析殘余應(yīng)力對(duì)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的性能影響。（5）微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的有限元模擬：用ANSYS對(duì)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺進(jìn)行了模擬，并分析其主要幾何尺寸對(duì)其固有頻率的影響。根據(jù)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率和檢測(cè)模態(tài)的頻率匹配，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)尺寸。粘滯空氣阻尼是MEMS微結(jié)構(gòu)能量耗散主要機(jī)制。微機(jī)械陀螺中結(jié)構(gòu)遇到的空氣阻尼包括壓膜阻尼和滑膜阻尼。詳細(xì)介紹了兩種阻尼的工作原理與計(jì)算公式。從能量梯度來(lái)計(jì)算靜電力介紹了殘余應(yīng)力的來(lái)源、計(jì)算以及對(duì)微機(jī)械陀螺動(dòng)力學(xué)特性的影響。朱二輝微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)特性研究

第二部分微機(jī)械機(jī)構(gòu)圖一、微加速度計(jì)高過載電容式微加速度計(jì)壓阻式微加速度計(jì)以上圖來(lái)自于徐小麗的碩士學(xué)位論文《高過載條件下微型加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)分析》二、根據(jù)工藝可行性分析的結(jié)果，推拉電極材料選擇金屬Au，扭轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)材料選擇硅Si(本設(shè)計(jì)開關(guān)實(shí)際結(jié)構(gòu)層材料是對(duì)硅進(jìn)行了濃硼擴(kuò)散而成的，能夠?qū)щ?，這里只是對(duì)結(jié)構(gòu)的微機(jī)電性能進(jìn)行分析，所以可以近似的取硅的材料參數(shù)。)，絕緣層選用Si3N4。串聯(lián)懸臂梁開關(guān)：施加在梁和底電極之間的靜電場(chǎng)將驅(qū)動(dòng)開關(guān)，也就是說，梁、柵之間的靜電吸引力將使梁向下偏轉(zhuǎn)，在漏、源信號(hào)間生成微波通路。但是如果漏、源信號(hào)線間電壓太大，將會(huì)引起開關(guān)的感應(yīng)閉合，這是因?yàn)樘蟮穆⒃措妷涸诹汉吐┒酥g感應(yīng)出靜電力，這個(gè)靜電力將向下拉伸梁，是開關(guān)閉合而忽略柵、源之間的電勢(shì)。因此太大的信號(hào)電流或信號(hào)電壓將會(huì)使開關(guān)失效。在串聯(lián)懸梁開關(guān)中，懸梁是微波信號(hào)通路的一部分。并聯(lián)懸梁臂開關(guān)：在并聯(lián)懸臂梁開關(guān)中，懸臂梁的一端被固定，另一端的下面淀積有金屬層一用來(lái)斷開胺通微波信號(hào)線，懸臂梁的上面覆蓋有金屬層一構(gòu)成電容器的上電極。當(dāng)上、下極板間外加控制電壓時(shí)，極板間產(chǎn)生的靜電力使懸臂梁變形;當(dāng)控制電壓大于閥值電壓時(shí)，金屬層接通信號(hào)線。并聯(lián)懸臂梁開關(guān)和串聯(lián)懸臂梁開關(guān)的最大區(qū)別是:在并聯(lián)懸臂梁開關(guān)中，懸臂梁上不通過微波信號(hào)，懸臂梁不構(gòu)成微波電路的一部分。電容性膜開關(guān)：1996年，Gofdsmith提出膜結(jié)構(gòu)開關(guān)，通過在信號(hào)線和金屬膜之間覆蓋一層絕緣膜，最大限度減少靜摩擦力的影響且消除了微連接，提高了開關(guān)的穩(wěn)定性能和電性能。金屬膜是直接做在共平面波導(dǎo)(CPW)上的。開關(guān)利用金屬膜一絕緣層一共平面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)傳輸。當(dāng)無(wú)直流控制電壓時(shí)，開關(guān)是導(dǎo)通的，金屬膜沒有變形。由于金屬膜和信號(hào)限制間距相當(dāng)大，兩者之間的禍合電容就很小，微波信號(hào)以極低的插入損耗通過開關(guān);當(dāng)上、下極板間施加直流電壓時(shí)，靜電吸引力使膜向下偏移。當(dāng)直流電壓超過開關(guān)的閥值電壓，金屬膜就和信號(hào)線上的絕緣層相接觸，兩者之間的禍合電容變得比較大，使微波信號(hào)幾乎全反射。這樣傳輸?shù)缴漕l輸出端的微波信號(hào)變得很小，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。膜開關(guān)屬于電容接觸式開關(guān)。扭轉(zhuǎn)臂杠桿式開關(guān)：推拉(push一Pull)結(jié)構(gòu)可以有效的減小激勵(lì)電壓。信號(hào)線是微帶傳輸線，開關(guān)工作原理為：Push電極施加電壓的時(shí)候，杠桿上抬，通過杠桿的原理能有效的增大接觸電極間的距離，開關(guān)處于開態(tài)；Pull電極施加電壓的時(shí)候，靜電力的作用下，杠桿下拉，接觸膜接通信號(hào)線，開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，通過這種結(jié)構(gòu)，我們可以減小接觸電極間的初始高度來(lái)降低激勵(lì)電壓而且保持比較好的隔離度。謝興軍靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微波開關(guān)設(shè)計(jì)與仿真三、朱二輝微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)特性研究四、上圖所示為一典型的梳齒式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。器件的可動(dòng)部分包根振動(dòng)梁，中間質(zhì)量塊和一組可動(dòng)梳齒電極。振動(dòng)梁通過四個(gè)錨點(diǎn)固定在玻底上。兩組固定梳齒電極鍵合在玻璃襯底上，分別與可動(dòng)梳齒電極構(gòu)成兩組差分電容。固定電極Ⅰ直接通過單晶硅連線條實(shí)現(xiàn)電極互連，固定電極Ⅱ通先設(shè)置在底部的鋁電極連線互連，在鋁連線與固定電極Ⅰ交疊部分以SiO2緣層。設(shè)器件驅(qū)動(dòng)質(zhì)量（中間質(zhì)量塊與所有可動(dòng)梳齒電極質(zhì)量之和）為M，件感受到一平行于器件平面，并與振動(dòng)梁垂直的加速度a時(shí)，在慣性力Ma下，振動(dòng)梁發(fā)生沿加速度方向的撓曲，帶動(dòng)可動(dòng)電極梳齒產(chǎn)生位移，從而使第二章靜電梳齒結(jié)構(gòu)1差分電容間隙發(fā)生變化，檢測(cè)出對(duì)應(yīng)的電容變化，就可以知道器件感受的加速度曹炎微機(jī)械中靜電梳齒結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力學(xué)研究郭秋芬微型梳狀線振動(dòng)陀螺儀特性及干擾因素影響的研究

三微機(jī)械的今后研究方向（1）微機(jī)械的阻尼機(jī)制已研究：微尺度下MEMS壓膜阻尼特性分析（滑流效應(yīng)、擠壓效應(yīng)、穿孔效應(yīng)）（2）各類參數(shù)相互耦合的強(qiáng)非線性微分方程的定性定量分析（3）尺度引起的穩(wěn)定性問題（4）非線性動(dòng)力學(xué)分析。MEMS中的非線性主要源于微機(jī)構(gòu)、微驅(qū)動(dòng)器(如靜電電機(jī))，例如柔性鉸產(chǎn)生的幾何大變形、摩擦等。目前，對(duì)非線性問題的研究主要采用ANSYS軟件進(jìn)行非線性有限元建模和瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬。幾乎未從非線性動(dòng)力學(xué)的高度來(lái)研究非線性振動(dòng)、動(dòng)力穩(wěn)定性等問題。隨著微機(jī)構(gòu)和微驅(qū)動(dòng)器實(shí)用化，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min的微馬達(dá)將投入使用，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題必將引起關(guān)注。已研究：靜電驅(qū)動(dòng)MEMS耦合非線性動(dòng)力特性分析（吸合效應(yīng)、靜電剛度軟化效應(yīng)、分岔與混沌特性分析）；壓電驅(qū)動(dòng)MEMS微懸臂梁振動(dòng)控制。（5）微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摩擦磨損特性研究；微轉(zhuǎn)子-固定軸承接觸問題研究；微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰磨動(dòng)力特性分析；微轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力潤(rùn)滑特性分析；微旋轉(zhuǎn)機(jī)械可靠性評(píng)估與研究。1、碩士（1）葛金生MEMS微結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究以微電子機(jī)械系統(tǒng)中常用的傳感結(jié)構(gòu)一微懸臂梁為研究對(duì)象，在考慮尺度效應(yīng)和空氣粘性的情況下，以牛頓理論為基礎(chǔ)，通過應(yīng)變梯度理論和哈密頓變分原理建立微懸臂梁的動(dòng)力學(xué)方程，在對(duì)空氣阻尼進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，給出其封閉解。使用matlab語(yǔ)言編制仿真程序，對(duì)微懸臂梁的諧振頻率及其影響因素，包括尺度效應(yīng)進(jìn)行了分析，為MEMS的設(shè)計(jì)理論提供一定的參考依據(jù)。以下幾個(gè)方面還可以做更深入的研究：(l)本文所得到的解的形式是以歐拉一伯努力梁為基礎(chǔ)推導(dǎo)的，具有一定的局限性。如果考慮到剪力的影響，可以對(duì)微梁的動(dòng)力學(xué)特性做更深一步的精確分析。(2)本文僅僅考慮了一個(gè)方向上的主要振動(dòng)，而忽略了另外兩個(gè)方向上的振動(dòng)，如果全面考慮三個(gè)方向上振動(dòng)的情況，那么論文的水平將提升一個(gè)檔次。(3)本文所使用的空氣阻尼模型有誤差，精確的空氣阻尼可以通過數(shù)值求解Navier一Stokes方程來(lái)獲得。(4)本文僅僅考慮了自由流動(dòng)的空氣阻尼情況，而事實(shí)上，微梁在振動(dòng)時(shí)，還可能受到如壓膜阻尼等以外的阻尼、內(nèi)部摩擦和支撐損耗的阻尼。所以，全面考慮上述阻尼的動(dòng)力學(xué)分析有待進(jìn)一步研究（2）2、博士（1）李偉劍西北工業(yè)大學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)的多域耦合分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化以下幾個(gè)方面還可以做更深入的研究：(l)論文針對(duì)柔性MEMS器件的多域耦合問題提出兩種基于宏建模技術(shù)的方法，可以進(jìn)一步研究具有強(qiáng)非線性、有阻尼柔性MEMS器件多域藕合問題。強(qiáng)非線性、多域耦合MEMS器件的分析是正逐漸成為MEMS建模與仿真領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，已有研究人員將許多非線性控制中分岔等理論應(yīng)用到MEMS器件的分析中，今后若將基礎(chǔ)研究領(lǐng)域(振動(dòng)、控制、數(shù)值計(jì)算)的先進(jìn)成果與MEMS相結(jié)合，勢(shì)必會(huì)發(fā)揮重要作用。(2)論文僅分析了基于體硅工藝厚結(jié)構(gòu)MEMS器件的壓膜阻尼問題，可以進(jìn)一步推廣到基于表面工藝的結(jié)構(gòu)中。另外可更深入地研究含阻尼孔結(jié)構(gòu)的壓膜阻尼問題，如孔的尺寸、形狀、面積對(duì)壓膜阻尼的影響，并進(jìn)行壓膜阻尼的優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如在滿足結(jié)構(gòu)電容最大時(shí)，如何優(yōu)化使得壓膜阻尼效應(yīng)最小。(3)論文中提出的多學(xué)科優(yōu)化模型包括結(jié)構(gòu)、電、流體阻尼、誤差等，隨著對(duì)各子系統(tǒng)的深入研究，可以考慮更多的學(xué)科因素，例如反饋控制、噪聲等，在此基礎(chǔ)上對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。（2）孔勝利微梁力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的研究微機(jī)械一般是處于多物理場(chǎng)禍合環(huán)境下，因此對(duì)微構(gòu)件在多物理場(chǎng)禍合環(huán)境下力學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行（3）張文明微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）動(dòng)力學(xué)特性研究成分考慮壓膜阻尼效應(yīng)的影響，研究靜電驅(qū)動(dòng)MEMS在各種參數(shù)激勵(lì)作用下的非線性動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性問題，探討靜電驅(qū)動(dòng)MEMS在組合共振情況下的混沌控制，以期提高系統(tǒng)能量，增強(qiáng)MEMS諧振器的功能。對(duì)比研究不同操作模式原子力顯微鏡（AFM）探針系統(tǒng)中針尖-樣品之間的力場(chǎng)分布、系統(tǒng)響應(yīng)和非線性動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)一步提高對(duì)AFM針尖-樣品系統(tǒng)操作性能的認(rèn)識(shí)。微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)近年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(microelectro-mechanicalsystem,MEMS)正走出實(shí)驗(yàn)室，成為21世紀(jì)初的新興產(chǎn)業(yè)。僅從國(guó)防科技工業(yè)領(lǐng)域看，MEMS技術(shù)將用于各種微型武器系統(tǒng)，形成具有新的競(jìng)爭(zhēng)力的“智能軍火”。西方發(fā)達(dá)國(guó)家正在積極研制用于軍事目的的微型航空器、重量在1kg級(jí)、甚至0.1kg級(jí)的納米衛(wèi)星等。而它們的實(shí)現(xiàn)必須借助各種微發(fā)動(dòng)機(jī)、微慣導(dǎo)儀器、微傳感器、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)機(jī)械和結(jié)構(gòu)相比，MEMS的研制過程更具有設(shè)計(jì)與制造一體化的特征。目前，對(duì)MEMS的設(shè)計(jì)多還在器件水平。除了少數(shù)二維器件的設(shè)計(jì)外，多數(shù)設(shè)計(jì)借助于ANSYS等商品化軟件進(jìn)行試湊；除了一些微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)外，多數(shù)設(shè)計(jì)尚屬于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)范疇?？梢灶A(yù)見，隨著MEMS的實(shí)用化，其動(dòng)力學(xué)問題將日益引起人們的關(guān)注。例如，對(duì)于微發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)部件、微慣導(dǎo)儀器，必須從動(dòng)力學(xué)角度去進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究國(guó)內(nèi)外均起步不久，以下是若干值得注意的問題：

(1)多學(xué)科耦合的大規(guī)模動(dòng)力學(xué)模擬。許多MEMS包括了固體、流體、熱傳導(dǎo)、電磁、靜電等相互作用。例如，在微米尺度的流速計(jì)中，集成了限流元件、壓力傳感器、放大電路等。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬需要使用含計(jì)算流體力學(xué)模塊的ANSYS有限元軟件包FOLTRAN和電網(wǎng)絡(luò)模擬軟件HSPICE，聯(lián)合解決多學(xué)科耦合的MEMS仿真與設(shè)計(jì)。僅從流體力學(xué)看，又可能包括自由表面和表面張力、非牛頓黏性流、非均勻多相流、懸浮流體、表面吸收和催化作用、混合、多介質(zhì)傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)和輻射等。因此，需要有適應(yīng)各種學(xué)科和各種方程的網(wǎng)格生成技術(shù)及動(dòng)力學(xué)求解器.由于對(duì)MEMS精細(xì)建模的需要，上述多學(xué)科耦合的數(shù)值模擬規(guī)模非常大。目前，MEMS的動(dòng)力學(xué)研究中，處理10,000個(gè)自由度的線性問題已屬常規(guī)，但更大規(guī)模的多學(xué)科耦合數(shù)值模擬還有許多困難。

(2)尺度效應(yīng)分析。目前，對(duì)MEMS器件的尺度效應(yīng)研究主要針對(duì)強(qiáng)度、摩擦與潤(rùn)滑等問題，很少針對(duì)動(dòng)力學(xué)問題。已有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于基于共振或?yàn)V波原理的微傳感器，其工作頻率范圍達(dá)kHz或GHz,會(huì)產(chǎn)生由于尺度引起的穩(wěn)定性問題。隨著尺度縮小，對(duì)于宏觀器件可忽略的失穩(wěn)變得突出。當(dāng)器件尺度很小時(shí)，溫度、驅(qū)動(dòng)功率、Brown運(yùn)動(dòng)、Johnson噪聲、光子、電子、吸收分子的波動(dòng)等都影響噪聲特性，有可能限制超微傳感器的應(yīng)用.這些都是MEMS發(fā)展中需要認(rèn)真解決的動(dòng)力學(xué)問題。

(3)非線性動(dòng)力學(xué)分析。MEMS中的非線性主要源于微機(jī)構(gòu)、微驅(qū)動(dòng)器(如靜電電機(jī))，例如柔性鉸產(chǎn)生的幾何大變形、摩擦等。目前，對(duì)非線性問題的研究主要采用ANSYS軟件進(jìn)行非線性有限元建模和瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬。幾乎未從非線性動(dòng)力學(xué)的高度來(lái)研究非線性振動(dòng)、動(dòng)力穩(wěn)定性等問題。隨著微機(jī)構(gòu)和微驅(qū)動(dòng)器實(shí)用化，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min的微馬達(dá)將投入使用，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題必將引起關(guān)注。

(4)納米機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模擬。當(dāng)MEMS中器件的尺度小到納米量級(jí)時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的建模方法將失效。目前，對(duì)納米機(jī)械的設(shè)計(jì)尚處于探索階段，例如采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究納米齒輪的可行性。該方法引入了許多假設(shè)，從而有一系列局限性，如不能計(jì)入量子效應(yīng)，計(jì)算規(guī)模還只能到上萬(wàn)個(gè)粒子，難以對(duì)具有支鏈和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的柔性分子進(jìn)行模擬等。因此，有必要研究介于量子力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)之間的動(dòng)力學(xué)，使之能用于納米器件的動(dòng)態(tài)模擬和設(shè)計(jì)。

4與發(fā)達(dá)國(guó)家研究水平的對(duì)比

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制的理論和方法研究方面取得了許多新進(jìn)展，縮小了與國(guó)外先進(jìn)研究水平的差距。例如，在分析動(dòng)力學(xué)、多柔體動(dòng)力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、分岔和混沌動(dòng)力學(xué)分析、非線性隨機(jī)振動(dòng)、非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、非線性時(shí)滯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)主動(dòng)控制等方面，我國(guó)學(xué)者的研究與國(guó)外同行日趨同步，在SCI源期刊上發(fā)表了一批高水平的論文，出版了多部學(xué)術(shù)著作，部分研究工作具有鮮明的特色。在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制的應(yīng)用研究方面，結(jié)合航天器、大型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等開展了許多研究工作，解決了若干工程問題。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制方面的研究存在以下不足：

(1)較少涉足全新的領(lǐng)域，如在微機(jī)電系統(tǒng)、納米元器件等新技術(shù)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)研究方面基本處于空白。因此，原創(chuàng)性研究少，不少項(xiàng)目以跟蹤性研究為主，有些項(xiàng)目甚至與國(guó)外已有研究相重復(fù)。

(2)大部分項(xiàng)目以理論和方法研究為主，以通過簡(jiǎn)單算例驗(yàn)證而告終，沒有形成工程化軟件。因此，在大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、車輛動(dòng)力學(xué)等涉及真實(shí)工程系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)方面，我國(guó)學(xué)者提出的方法未能得到應(yīng)用，缺少具有自主版權(quán)的大型工程化軟件。

(3)研究力量比較分散，除了作為重大項(xiàng)目資助的非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究以外，沒有多少團(tuán)隊(duì)層面上的研究計(jì)劃。

產(chǎn)生上述問題的主要原因有三。一是國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，工業(yè)界自身的研究與發(fā)展能力弱，提出的原始問題少。二是現(xiàn)有研究經(jīng)費(fèi)主要來(lái)自政府的各類基金，強(qiáng)度比較低，難以支持開發(fā)工程化軟件，也難以吸引優(yōu)秀的研究生和青年學(xué)者投身于動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究。三是國(guó)家和各單位的現(xiàn)有科技評(píng)估政策比較有利于短期行為和單兵作戰(zhàn)。周老師點(diǎn)評(píng)：1）目前的不管是傳感器還是其他的微機(jī)電系統(tǒng)，梁是其典型構(gòu)件，關(guān)于梁的研究很多，比如：梁侵入液體中、梁的不同驅(qū)動(dòng)方式等，但關(guān)于復(fù)合梁、多梁的研究較少。存在的問題主要有：梁的陣列問題（梁的陣列是否可以等效成單梁，已有的研究證明不能，因?yàn)榛ハ嘀g有影響，那么它們的影響是什么，存在什么樣的關(guān)系？）；復(fù)合梁（如硅上鍍層）的動(dòng)力學(xué)問題；用于生物傳感器中的梁的質(zhì)量吸附（質(zhì)量分布）問題，質(zhì)量分布影響質(zhì)量與剛度。2）目前有研究表明板的動(dòng)力學(xué)特性要好于梁的，是否所有特性都比梁的好，可以做深入的比較。

第四部分英文資料整理[1]D.Ramos,J.Tamayo,J.Mertens,andM.Calleja.Originoftheresponseofanomechanicalesonatorstobacteriaadsorption[J].JournalofAppliedPhysics,2006,100(10):106105-106105-3基于微型懸臂梁結(jié)構(gòu)的諧振器被作為靈敏的質(zhì)量傳感器廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)技術(shù)中，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一端夾持的微懸臂梁的細(xì)菌吸附試驗(yàn)，通過試驗(yàn)我們證明了附加質(zhì)量不是這些傳感器響應(yīng)的僅有的甚至不是主要來(lái)源，實(shí)驗(yàn)顯示諧振頻率的變化很大的依賴于梁上所吸附細(xì)菌的分布。以歐拉-伯努利梁為研究對(duì)象，證明了用于細(xì)菌吸附的納米機(jī)械諧振器的響應(yīng)即取決于附加質(zhì)量又取決于細(xì)菌細(xì)胞的硬度。根據(jù)細(xì)胞的分布位置，不同的影響所起的作用不一樣，兩種影響可以被分開?？拷旱淖杂啥耍郊淤|(zhì)量起主導(dǎo)作用，而在梁的夾持端，柔性剛度的增加起主導(dǎo)作用。檢測(cè)靈敏度大約是0.1Hz/細(xì)菌，通過使用更高級(jí)的振動(dòng)模態(tài)或減低懸臂梁的尺寸，靈敏度很容易提高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，當(dāng)諧振器的尺寸降低到納米尺度時(shí)，吸附裝置的機(jī)械特性將變得更重要。吸附于懸臂梁上的分子質(zhì)量可以通過關(guān)系式來(lái)量化，該公式對(duì)于懸臂梁上吸附質(zhì)量均勻分布的情況適用，然而已經(jīng)證明，對(duì)于懸臂梁上吸附質(zhì)量分布不連續(xù)的情況，吸附質(zhì)量的位置很大的影響了頻率的變化。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：首先，測(cè)量出浸泡在濃度為109細(xì)胞/毫升的大腸桿菌懸浮液中的懸臂梁的第一階彎曲頻率的變化，該懸臂梁的尺寸為500微米長(zhǎng)，100微米寬，1微米厚。29個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均頻率變化是-0.1%，但是各測(cè)量點(diǎn)的頻率變化很大，有24%的測(cè)量點(diǎn)的第一階彎曲頻率升高而不是下降。為了解釋這種現(xiàn)象，作者利用噴墨技術(shù)，將0.5納升的細(xì)菌溶液噴射到懸臂梁（浸在純凈水中）的不同位置上-自由端、中間位置以及夾持端。通過懸臂梁在噴射前后的頻率譜線，我們發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌溶液噴射到自由端的懸臂梁，諧振頻率下降4%；噴射到懸臂梁中間位置的，諧振頻率基本沒有變化；噴射到懸臂梁夾持端的，諧振頻率升高3.6%。分子吸附引起的表面應(yīng)力會(huì)影響諧振頻率，然而，該影響并沒有被完全的理解。建立了兩種理論模型，第一種理論模型將表面應(yīng)力簡(jiǎn)化為施加于懸臂梁上的軸向力，該模型顯示每單位表面應(yīng)力（N/m）會(huì)引起大約1%的諧振頻率變化，我們測(cè)量了由于細(xì)菌吸附所引起的表面應(yīng)力的變化，表面應(yīng)力的變化是0.05-0.1N/m，這并不能充分的解釋諧振頻率的變化。第二種模型假定表面應(yīng)力并不能引起諧振頻率的變化，此時(shí)軸向力通過懸臂梁自由端的變形被釋放。該模型中，諧振頻率的變化必須考慮依賴于表面應(yīng)力的誘導(dǎo)應(yīng)變，誘導(dǎo)應(yīng)變使得諧振頻率的變化小于10ppm，小于實(shí)際觀測(cè)到的諧振頻率的變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為了解釋該結(jié)果，我們建立了一個(gè)模型說明細(xì)菌吸附會(huì)增加懸臂梁的剛度，以歐拉-伯努利梁為研究對(duì)象，該梁每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量和彎曲剛度都依賴于縱向位置，其振動(dòng)微分方程為：u：懸臂梁的橫遷移量；x：縱向坐標(biāo)；t：時(shí)間；ρ:懸臂梁密度；S：橫截面積；λ(x)：每單元長(zhǎng)度的吸附質(zhì)量；D(x)：懸臂梁的抗撓剛度。W：懸臂梁的寬度；T：懸臂梁厚度；E：楊氏模量；下標(biāo)c和b分別表示懸臂梁和細(xì)菌。為了計(jì)算諧振頻率，我們采用了雷利近似值（Rayleigh’sapproximation），該方法通過能量平衡和假定吸附分析后梁的形狀未完全改變。每個(gè)振動(dòng)周期的應(yīng)變能和動(dòng)能分別是：其中，L：懸臂梁長(zhǎng)度；橫向振動(dòng)u(x,t)做（余弦）簡(jiǎn)諧振動(dòng)。計(jì)算出的諧振頻率為：應(yīng)用上式估計(jì)了由于分子吸附所引起的質(zhì)量和彎曲剛度的增加，第一階諧振頻率的變化。在建立模型時(shí)，吸附的細(xì)菌被當(dāng)成一個(gè)直徑是100um、包含4200個(gè)細(xì)胞的均勻一致的圓盤結(jié)構(gòu)，細(xì)菌質(zhì)量是665fg，生物層厚度是840nm，小于細(xì)菌的高度1um，以此來(lái)表示吸附細(xì)菌并不是濃密的排列的。為了模擬試驗(yàn)結(jié)果，楊氏模量選擇1.3Gpa，所得值與利用原子力顯微鏡在干燥細(xì)菌下測(cè)得值基本吻合。表四顯示了：計(jì)算的頻率變化值隨著吸附位置的變化（由于附加質(zhì)量的增加、抗撓剛度的變化）曲線。表四包含了諧振頻率變化的試驗(yàn)值（在表三中單獨(dú)列出），理論值與試驗(yàn)值能夠很好的吻合。由于分子吸附產(chǎn)生的附加質(zhì)量會(huì)對(duì)諧振頻率的變化產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的影響——從夾持端的接近于0值變化到自由端的最大值；相對(duì)的，由于分子的吸附產(chǎn)生的抗撓剛度的增加會(huì)對(duì)諧振頻率的增加產(chǎn)生一個(gè)正的影響——從自由端的接近于0值變化到夾持端的最大值。通過設(shè)置不同的吸附位置，諧振響應(yīng)的變化會(huì)達(dá)到最大值。在懸臂梁的夾持端，由于硬度的變化，諧振頻率的變化會(huì)達(dá)到正的最大值；在懸臂梁的自由端，由于吸附質(zhì)量，諧振頻率的變化會(huì)達(dá)到負(fù)的最大值。[2]JosephF.Vignola,JohnA.Effectofviscouslossonmechanicalresonatorsdesignedformassdetection[J].AppliedPhysicsLetters,2006,88(4):1-3本文介紹的是粘滯損失對(duì)用于質(zhì)量檢測(cè)的機(jī)械式諧振器設(shè)計(jì)的影響。為了估計(jì)機(jī)械式共振器的流體（氣體或者液體）黏性阻尼載荷，而建立了簡(jiǎn)單的模型，該模型適用于梁的彎曲振動(dòng)模態(tài)以及薄梁或板的縱向振動(dòng)模態(tài)。對(duì)與之相關(guān)聯(lián)的品質(zhì)因數(shù)的預(yù)測(cè)值與宏觀尺度和微觀尺度的共振器的測(cè)得值進(jìn)行了比較，討論了振蕩器的尺寸與黏性損失的比例關(guān)系。通過對(duì)幾個(gè)振蕩器的最低檢出質(zhì)量估計(jì)發(fā)現(xiàn)：縱向共振器有著最低檢出質(zhì)量。對(duì)所有的受黏性阻尼限制的諧振器而言，此最低檢出質(zhì)量與尺寸的1.75次方成正比，并且，在水中的黏性損失是在空氣中的220倍。品質(zhì)因數(shù)Q越大，振蕩器對(duì)外界干擾（包括質(zhì)量沉積）的靈敏度越高。當(dāng)振蕩器在水中或空氣中工作時(shí)，由于黏性耗散，Q值會(huì)明顯降低。當(dāng)共振器在液體環(huán)境中工作時(shí)，Q值既受附著的彈性能量輻射的控制，又受與周圍流體介質(zhì)相關(guān)的三個(gè)耗散機(jī)制（聲音、擠壓膜和黏性損失）的控制。我們認(rèn)為，對(duì)處于空氣中的音叉式共振器，黏性損失是最主要的損失；然而，對(duì)于圓盤式共振器，附著損失是最主要的。綜上所述，對(duì)所有的受黏性阻尼限制的諧振器而言，此最低檢出質(zhì)量與尺寸的1.75次方成正比，這暗示了進(jìn)一步的小型化對(duì)質(zhì)量檢測(cè)靈敏度是有利的。通過利用平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)減輕附著損失以及利用縱向共振器結(jié)構(gòu)減低阻尼損失增加機(jī)械能的存儲(chǔ)，可以使靈敏度最大化。利用質(zhì)量傳感器的輸出頻率變化來(lái)檢測(cè)化學(xué)或生物試劑已經(jīng)研究了許多年，其工作原理是：當(dāng)質(zhì)量吸附于振蕩器檢測(cè)部位的表面時(shí)，觀察機(jī)械振蕩器輸出頻率的變化。振蕩器的檢測(cè)表面可以選擇性的吸附（化學(xué)吸附或者物理吸附）單一的生物分子或者化合物，以確保諧振頻率的變化是由于目標(biāo)分析物的吸附引起的。分辨率主要受設(shè)備的品質(zhì)因數(shù)控制，品質(zhì)因數(shù)Q越大，振蕩器對(duì)外部干擾（包括質(zhì)量吸附）的靈敏度越高。當(dāng)振蕩器在空氣中或水中工作時(shí)，其品質(zhì)因數(shù)Q由于粘滯損耗而顯著降低。本文的目的是估計(jì)幾種不同的振蕩器在在不同的振動(dòng)模態(tài)下的粘滯損失，以及識(shí)別質(zhì)量檢測(cè)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。共振器的粘滯損失已經(jīng)研究了很多年，然而，大多數(shù)先前的研究針對(duì)的共振器是懸臂梁或兩端夾持梁的彎曲振動(dòng)模態(tài)。當(dāng)前的研究對(duì)諧振器在縱向和彎曲模態(tài)下的震動(dòng)進(jìn)行比較，得到氣、液載荷下的數(shù)據(jù)，并與估計(jì)值進(jìn)行比較。許多機(jī)械振蕩器的能量耗散是由于其自身結(jié)構(gòu)，然而，當(dāng)振蕩器在流體環(huán)境中工作時(shí)，Q值既受附著的彈性能量輻射的控制，又受與周圍流體介質(zhì)相關(guān)的三個(gè)耗散機(jī)制（聲音、擠壓膜和黏性損失）的控制。因此，總的能量耗散是這些能量耗散的總和。[3]SudiptaBasak,ArvindRaman,SureshV.Garimella.Hydrodynamicloadingofmicrocantileversvibratinginviscousfluids[J].JournalofAppliedPhysics,2006,99(11):114906-114906-10.本文介紹的是微懸臂梁在黏性流體中振動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力載荷。彈性微懸臂梁在黏性流體中振動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力載荷通過利用一個(gè)三維的、流固耦合的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，品質(zhì)因數(shù)與附加質(zhì)量系數(shù)被準(zhǔn)確的計(jì)算。本文詳細(xì)分析了微懸臂梁的幾何形狀、高階彎曲模態(tài)下的操作、方向以及與水平面的靠近程度對(duì)計(jì)算的影響。結(jié)果表明，在一個(gè)無(wú)限的媒介，微懸臂梁阻尼產(chǎn)生于微懸臂梁的邊緣附近的流體剪切。然而，接近表面，阻尼產(chǎn)生是由于壓膜效應(yīng)和邊緣附近的粘性剪切的組合。

（由于聲輻射阻尼、結(jié)構(gòu)的內(nèi)阻尼、周圍流體的黏性損失以及支撐損失，使得微懸臂梁的振動(dòng)能量逐漸消失。）計(jì)算模型：本文中的所有數(shù)值計(jì)算都是使用基于ADINA（用于固體、結(jié)構(gòu)、流體以及結(jié)構(gòu)相互作用的流體流動(dòng)分析的系統(tǒng)）的流體與結(jié)構(gòu)耦合。微懸臂梁被進(jìn)入一個(gè)三維的不可壓縮的黏性液體中（符合N-S方程），N-S流體被一種潛在的三維流體所包圍，該流體終止于無(wú)限邊界的墻。基于ADINA的流體-結(jié)構(gòu)耦合模型被分成了三個(gè)不同的領(lǐng)域：一是固體領(lǐng)域；二是黏性流體領(lǐng)域；三是無(wú)粘性的潛在流體領(lǐng)域。微懸臂梁在無(wú)限范圍的粘性流體中的振動(dòng)：流體中最大的剪應(yīng)力發(fā)生在微懸臂梁所有棱的附近。對(duì)一個(gè)固體的矩形微懸臂梁，用于半解析模型中的最合適的尺寸是寬度；附加質(zhì)量系數(shù)依賴于微懸臂梁的面積（或硬度）等。[4][4]VanEysden,CornelisA.;Sader,JohnE.Resonantfrequenciesofarectangularantileverbeamimmersedinafluid[J].JournalofAppliedPhysics,2006,100(11):114916-114916-8本文介紹的是侵入流體中的矩形懸臂梁的共振頻率。懸臂梁的共振頻率很大程度上取決于它所浸入的流體，在論文中，作者拓展了ElmerandDreier的方法，得出了侵入無(wú)粘性流體中的矩形懸臂梁的彎、扭共振頻率的詳細(xì)解析公式。結(jié)果直接適用于宏觀幾何形狀的懸臂梁（黏性影響可以忽略），并且對(duì)任意模態(tài)都是合理的。[5]J.-HLee,Y.-D.Lauetal.Tuningthequalityfactorofmicrocantileverusingydrodynamiccouplingofmicrostructures[c].TRANSDUCERS2009-15thInternationalConferenceonSolid-StateSensors,ActuatorsandMicrosystems:704-707本文介紹的是利用微結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)耦合調(diào)整微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)，證實(shí)了利用主動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的流體力學(xué)耦合來(lái)控制微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)?？拷冶哿海üぷ髁海┑闹鲃?dòng)微結(jié)構(gòu)（輔助梁）通過產(chǎn)生水動(dòng)力來(lái)改變工作梁的空氣阻尼，于是，通過改變輔助梁引起的激勵(lì)力的相位，工作梁的品質(zhì)因數(shù)會(huì)增加或者降低。另外，工作梁的品質(zhì)因數(shù)的調(diào)整范圍可以通過改變激勵(lì)力的大小與兩梁之間的距離來(lái)改變。在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)建了磁力驅(qū)動(dòng)的微懸臂梁陣列，測(cè)量