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前言1

第1章 绪论1

1.1 研究背景1

1.1.1 MEMS及其发展1

1.1.2 研究力学性能及尺寸效应的意义3

1.2 国内外研究现状分析4

1.2.1 国内研究现状4

1.2.2 国外研究现状5

1.2.3 力学性能测试方法6

1.3 本文主要研究内容12

第2章 MEMS尺寸效应的分析模型及应用15

2.1 引言15

2.2 尺寸效应的内涵15

2.2.1 尺寸效应的基本概念15

2.2.2 尺寸的范畴16

2.2.3 尺寸效应的研究目标17

2.3 尺寸效应的分类19

2.3.1 尺寸的相对性和绝对性19

2.3.2 几何尺寸效应20

2.3.3 力的尺寸效应21

2.3.4 其他物理性能的尺寸效应22

2.4 尺寸效应的数学模型及其分析23

2.4.1 广义尺寸效应和狭义尺寸效应23

2.4.2 狭义尺寸泛函23

2.4.3 基本初等函数表示的尺寸效应24

2.4.4 复杂函数表示的尺寸效应28

2.4.5 分析模型的应用举例29

2.5 本章小结31

第3章 单晶硅微桥式梁力学性能的弯曲测试及尺寸效应分析33

3.1 引言33

3.2 梯形截面的几何特性34

3.2.1 梯形截面的形心34

3.2.2 梯形截面的惯性矩35

3.2.3 惯性矩的尺寸效应分析36

3.3 单晶硅微桥式梁试件加工38

3.3.1 硅材料的特点38

3.3.2 微细加工和集成制造39

3.3.3 微桥式梁的加工工艺40

3.4 微桥式梁的支反力及弯矩41

3.4.1 微桥式梁的力学假设41

3.4.2 微桥式梁的支反力42

3.4.3 微桥式梁的弯矩43

3.5 微桥式梁的弯曲测试及力学参数计算44

3.5.1 微桥式梁的弯曲测试44

3.5.2 微硬度计算45

3.5.3 单晶硅的弹性模量46

3.5.4 多晶硅的弹性模量47

3.6 实验结果分析48

3.6.1 微梁样品的几何参量48

3.6.2 微梁弯曲测试结果49

3.7 本章小结50

第4章 单晶硅微桥式梁弯曲强度的Weibull分布及断裂特性分析52

4.1 引言52

4.2 阵列微梁样品53

4.3 单晶硅微桥式梁弯曲强度54

4.3.1 弯曲强度的线弹性分析54

4.3.2 弯曲强度的Weibull分析55

4.3.3 Weibull参量的最大似然估计值57

4.3.4 弯曲强度的统计分析58

4.3.5 弯曲强度的尺寸效应59

4.4 单晶硅微桥式梁弯曲断裂特性分析61

4.4.1 脆性材料的理想化断裂61

4.4.2 Griffith断裂理论62

4.4.3 Griffith理论修正63

4.4.4 微梁试件的断面65

4.4.5 单晶硅微梁断裂的应变设计66

4.5 本章小结67

第5章 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化68

5.1 引言68

5.2 QFD/TRIZ/FUZZY集成创新设计数学模型68

5.2.1 QFD质量功能配置方法69

5.2.2 解决冲突问题的TRIZ理论70

5.2.3 基于FUZZY设计优化技术的模糊层次分析法73

5.3 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技术的微摩擦测试仪力传感器尺寸优化74

5.3.1 微摩擦测试仪力传感器的质量屋74

5.3.2 技术冲突矛盾的解决方案76

5.3.3 基于FUZZY优化技术的设计评价78

5.4 本章小结80

第6章 MEMS残余应力分析81

6.1 引言81

6.2 薄膜残余应力82

6.2.1 热膨胀系数82

6.2.2 热失配应力84

6.2.3 本征应力85

6.2.4 单层薄膜和多层薄膜残余应力88

6.2.5 残余应力梯度89

6.3 残余应力的测量方法91

6.3.1 谐振频率法92

6.3.2 鼓泡法93

6.3.3 拉曼光谱法94

6.3.4 X射线衍射法95

6.3.5 微悬臂梁法96

6.4 残余应力的释放和控制96

6.4.1 残余应力的释放96

6.4.2 残余应力的控制97

6.5 本章小结98

第7章 静电微泵的研究100

7.1 引言100

7.2 微泵简介100

7.3 静电微泵结构的理论建模102

7.3.1 振膜式静电微泵的结构及其工作原理102

7.3.2 泵膜的理论分析103

7.3.3 阀单元分析109

7.3.4 微泵流量及压力116

7.4 静电微泵致动特性及其尺寸效应分析118

7.4.1 尺寸效应的数学模型118

7.4.2 静电驱动及尺寸效应121

7.4.3 静电吸合及尺寸效应分析123

7.5 静电微泵的动态分析128

7.5.1 微泵的有限元分析128

7.5.2 微泵流体有限元分析136

7.5.3 静电微泵泵膜等效电路139

第8章 微机械陀螺的动力学特性研究142

8.1 引言142

8.2 微机械陀螺的动力学方程的建立142

8.2.1 振动陀螺的基本原理143

8.2.2 微机械振动式陀螺的数学模型145

8.2.3 微机械陀螺中弹性梁的分析146

8.2.4 微机械陀螺中的空气阻尼分析149

8.3 微机械陀螺中静电驱动及其作用157

8.3.1 微机械陀螺的静电驱动159

8.3.2 静电调节模态匹配161

8.3.3 静电负阻尼162

8.3.4 静电吸合164

8.4 微机械陀螺的动力学特性分析166

8.4.1 拉格朗日方程166

8.4.2 利用拉格朗日方程建立微机械振动式陀螺的动力学方程168

8.4.3 微机械陀螺的动力学特性分析170

8.5 微机械陀螺中的主要误差及噪声分析175

8.5.1 微机械振动式陀螺的误差分析175

8.5.2 微机械振动式陀螺的噪声分析180

8.5.3 残余应力对微机械陀螺动力学特性的影响181

8.6 微机械振动式陀螺的有限元模拟184

8.6.1 振子框架式微机械振动式陀螺仪的结构及工作原理185

8.6.2 振动模态分析186

8.6.3 各主要结构尺寸变化对陀螺模态频率的影响188

参考文献192