微机械系统技术与发展动力学PPT课件
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《mems微机电系统》PPT课件
• 特点： • 1.获得的构造的几何尺寸较大〔相应的质量
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
机械系统动力学(2)幻灯片PPT
10.1 作用在机械上的力及机械的运转过程 作用在机械上的力
工作阻力
驱动力
第10章 机械系统动力学
10.1 作用在机械上的力及机械的运转过程 机械的运转过程及特征
三个运转阶段的特征：
阶段 启动
速度特征
原动件的速度从零逐渐上 升到开始稳定的过程
原动件速度保持常数或在
稳定运行
正常工作速度的平均值上 下作周期性的速度波动
第10章 机械系统动力学
机械系统动力学(2)幻灯片 PPT
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第10章 机械系统动力学
JF
[W]
m2[]
第10章 机械系统动力学
本章小结
动能不变
E 1 2 J e 2i n 11 2 m iv s2 ijm 1 J sjj2
等效质量 等效转动惯量
Jenm i(vs)i2mJs(j j)2
i 1
j 1
m ei n 1m i(v v s)i2jm 1Js(j vj)2
第10章 机械系统动力学
等效转动惯量的特征：
等效转动惯量是一个假想转动惯量； 等效转动惯量不仅与各构件质量和转动惯量有关，而且与各构件相对 于等效构件的速度比平方有关； 等效力矩与机械系统驱动构件的真实速度无关。
第10章 机械系统动力学
10.3 机械运动方程式的建立与求解
能量形式方程式
WE
1 2M ed1 2Je2 21 2Je 12
1 2 M ed d 1 2 M e d r 1 2 J e 22 2 1 2 J e 11 2
工作阻力
驱动力
第10章 机械系统动力学
10.1 作用在机械上的力及机械的运转过程 机械的运转过程及特征
三个运转阶段的特征：
阶段 启动
速度特征
原动件的速度从零逐渐上 升到开始稳定的过程
原动件速度保持常数或在
稳定运行
正常工作速度的平均值上 下作周期性的速度波动
第10章 机械系统动力学
机械系统动力学(2)幻灯片 PPT
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第10章 机械系统动力学
JF
[W]
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第10章 机械系统动力学
本章小结
动能不变
E 1 2 J e 2i n 11 2 m iv s2 ijm 1 J sjj2
等效质量 等效转动惯量
Jenm i(vs)i2mJs(j j)2
i 1
j 1
m ei n 1m i(v v s)i2jm 1Js(j vj)2
第10章 机械系统动力学
等效转动惯量的特征：
等效转动惯量是一个假想转动惯量； 等效转动惯量不仅与各构件质量和转动惯量有关，而且与各构件相对 于等效构件的速度比平方有关； 等效力矩与机械系统驱动构件的真实速度无关。
第10章 机械系统动力学
10.3 机械运动方程式的建立与求解
能量形式方程式
WE
1 2M ed1 2Je2 21 2Je 12
1 2 M ed d 1 2 M e d r 1 2 J e 22 2 1 2 J e 11 2
《微机电系统概论》课件
表面微加工技术
表面微加工技术包括物理沉积、化学沉积、电 化学沉积等多种方法，这些方法能够制造出具
有优异性能的薄膜材料。
表面微加工技术的优点在于它可以制造出大面积、高 精度和低成本的微纳器件，因此在微机电系统中得到
了广泛应用。
表面微加工技术是一种制造微机电系统的技术 ，它通过在衬底表面上的薄膜上进行加工，制 造出各种微结构和功能器件。
01
微机电系统的未来 展望
微纳融合技术
总结词
微纳融合技术是微机电系统未来的重 要发展方向，它将微纳尺度下的器件 、电路和系统进行融合，实现更小尺 寸、更高性能的集成。
详细描述
随着微纳技术的不断发展，将微电子 和纳电子进行融合，可以进一步缩小 器件尺寸，提高集成度，降低能耗， 为未来的智能化和微型化提供有力支 持。
01
微机电系统的应用 实例
微型飞行器
总结词
微型飞行器是微机电系统的重要应用之 一，具有体积小、重量轻、灵活性高等 特点。
VS
详细描述
微型飞行器可以在狭小空间内进行飞行和 侦查，广泛应用于军事侦察、环境监测、 灾难救援等领域。其制造需要精密的微加 工技术和先进的控制算法，以确保稳定性 和精度。
微型机器人
总结词
微型机器人是微机电系统的另一重要应用，具有高效、精准、灵活等优点。
详细描述
微型机器人可以执行各种复杂任务，如医疗手术、工业制造、环境治理等。通 过微机电系统技术，可以实现微型机器人的小型化、智能化和自主化，提高工 作效率和精度。
微型医疗器械
总结词
微型医疗器械是微机电系统在医疗领域的应用，具有体积小、操作简便、创伤小 等优点。
自组装和自修复技术
总结词
自组装和自修复技术是实现微机电系统自主适应环境变化的重要手段，通过自组装和自修复，微机电系统能够更 好地适应复杂环境，提高稳定性和可靠性。
《微机电系统动力学》课件
微机电系统的振动测试技术
微机电系统振动测试技术概述：微机 电系统振动测试技术是用来监测微机 电系统中振动的状态和变化情况的一 种技术。通过使用这种技术，可以了 解微机电系统中振动的特性和规律， 评估系统的性能和稳定性，为系统的 优化和控制提供依据。
微机电系统振动测试设备的组成：微 机电系统振动测试设备包括传感器、 信号处理系统和记录设备等部分。传 感器用于监测微机电系统的振动状态 ，信号处理系统对传感器输出的信号 进行处理和分析，记录设备用于记录 和处理结果的分析和展示。
微机电系统振动测试技术的应用：微 机电系统振动测试技术的应用范围很 广，可以用于各种不同类型的微机电 系统的测试和评估。例如，在微机械 陀螺仪中，可以使用这种技术来监测 陀螺仪的振动状态和稳定性，为陀螺 仪的优化和控制提供依据。在微机械 加速度计中，可以使用这种技术来监 测加速度计的动态特性和稳定性，提 高加速度计的性能和精度。
微机电系统中振动的分类
微机电系统中的振动可以分为多种类型，如线性振动、非线 性振动、随机振动等。不同类型的振动具有不同的特性，对 系统性能的影响也不同。
微机电系统的振动控制方法
主动控制方法
被动控制方法
主动控制方法是通过向微机电系统施 加控制力来抑制振动的方法。这种方 法需要使用传感器监测系统的振动状 态，并将监测到的信号反馈给控制器 ，控制器根据反馈信号产生控制力， 抑制系统的振动。主动控制方法具有 较好的控制效果，但需要使用复杂的 控制系统和传感器。
航空航天工程
在航空航天工程领域，微机电系统可用于微型卫星、无人机、飞行 器控制等，提高航空航天器的性能和安全性。
智能制造与自动化
在智能制造与自动化领域，微机电系统可用于微型机器人、自动化生 产线、智能传感器等，提高生产效率和产品质量。
《机械系统动力学》课件
04
数值模拟法的缺点是计算量大，计算时间长，且需要较高的数学建模 和数值计算能力。
解析法
01 02 03 04
解析法是通过数学解析的方法来求解机械系统动力学问题的方法。
解析法需要建立系统的数学模型，利用数学解析的方法求解模型的微 分方程或差分方程，以获得系统的解析解。
解析法的优点是能够获得系统的精确解，具有较高的理论价值。
实验研究法的优点是能够直接获取系统的实际动 力学行为，具有较高的真实性和可靠性。
数值模拟法
01
数值模拟法是通过计算机数值计算来模拟机械系统的动态行为的方法 。
02
数值模拟法需要建立系统的数学模型，利用数值计算方法求解模型的 微分方程或差分方程，以获得系统的动态响应。
03
数值模拟法的优点是能够模拟复杂系统的动态行为，具有较高的灵活 性和可重复性。
动能定理
总结词
描述物体动能变化的定理
详细描述
动能定理指出，一个物体动能的改变等于作用力对物体所做的功。这个定理是能 量守恒定律在动力学中的表现，是分析机械系统运动状态的重要工具。
势能定理
总结词
描述物体势能变化的定理
详细描述
势能定理指出，一个物体势能的改变等于作用力对物体所做的负功。这个定理可以帮助我们分析机械系统的运动 状态，特别是当物体受到重力的作用时。
CHAPTER 04
机械系统动力学的研究方法
实验研究法
实验研究法需要设计和搭建实验装置，对系统 施加激励并采集响应数据，通过分析数据来揭
示系统的动态特性。
实验研究法的缺点是实验成本较高，实验条件难以控 制，且实验结果可能受到实验误差和环境因素的影响
。
实验研究法是通过实验测试和观察机械系统的 动态行为，以获取系统的动力学特性和性能参 数的方法。
数值模拟法的缺点是计算量大，计算时间长，且需要较高的数学建模 和数值计算能力。
解析法
01 02 03 04
解析法是通过数学解析的方法来求解机械系统动力学问题的方法。
解析法需要建立系统的数学模型，利用数学解析的方法求解模型的微 分方程或差分方程，以获得系统的解析解。
解析法的优点是能够获得系统的精确解，具有较高的理论价值。
实验研究法的优点是能够直接获取系统的实际动 力学行为，具有较高的真实性和可靠性。
数值模拟法
01
数值模拟法是通过计算机数值计算来模拟机械系统的动态行为的方法 。
02
数值模拟法需要建立系统的数学模型，利用数值计算方法求解模型的 微分方程或差分方程，以获得系统的动态响应。
03
数值模拟法的优点是能够模拟复杂系统的动态行为，具有较高的灵活 性和可重复性。
动能定理
总结词
描述物体动能变化的定理
详细描述
动能定理指出，一个物体动能的改变等于作用力对物体所做的功。这个定理是能 量守恒定律在动力学中的表现，是分析机械系统运动状态的重要工具。
势能定理
总结词
描述物体势能变化的定理
详细描述
势能定理指出，一个物体势能的改变等于作用力对物体所做的负功。这个定理可以帮助我们分析机械系统的运动 状态，特别是当物体受到重力的作用时。
CHAPTER 04
机械系统动力学的研究方法
实验研究法
实验研究法需要设计和搭建实验装置，对系统 施加激励并采集响应数据，通过分析数据来揭
示系统的动态特性。
实验研究法的缺点是实验成本较高，实验条件难以控 制，且实验结果可能受到实验误差和环境因素的影响
。
实验研究法是通过实验测试和观察机械系统的 动态行为，以获取系统的动力学特性和性能参 数的方法。
《微机电系统》PPT课件
where λis the wave length of light used to make
image transfer. e.g. UV λ=500nm
2〕Steps: substrate preparation→ thin film addition →cast PR →pre-designed mask →expose in UV light →develop PR in developing solution →Etch the thin film covered with PR in a solution that will attack the thin film but not the PR →remove PR
3. X-Ray lithography
A type of light lithography techniques using short wavelength X-Rays Pros • Fast process • High aspect ratio • Solves depth of focus problem • High resolutions of ~ .5 µm • Reduction in diffraction,
Pros • Computer-controlled beam • No mask is needed • Can produce sub-1 µm features • Diffraction effects are minimized • Electron beam can detect surface features for
6.Thin film addition
• PR Spin on • Thermal oxidation • Thermal evaporation • E-beam evaporation • Sputtering process • CVD <LPCVD,PECVD> • Electroplating
01-机械系统动力学ppt
目的 驱动功大于阻力功时飞轮积蓄能量而只使主轴的角速度略增；
驱动功小于阻力功时飞轮释放能量而只使主轴速度略降。
ω
02
2 Jv
0
M
vd
和两个位置间的运行时间： dt d
ω
1
t t0 ω d 0
（2）等效力矩为等效构件角速度的函数，等效转动惯量为常数 由电动机驱动的鼓风机、离心泵、起重机等
用力矩方程
M
v
M
va
M
vc
Jv
dω dt
求解达到某角速度ω的时间：
ω
dω
1 t dtt0 t
ω 0 M va M vc Jv t0
转化方法：
将整个机械系统的动力学问题转化为系统中 某一运动构件的动力学问题，该运动构件称 为等效构件，通常等效构件取为原动件。
转化
等效构件 作 直线移动 或作 定轴转动，用牛顿第二定律计算方便。
转化内容：
为使等效构件与系统中该构件的真实运动一致，需将作 用于原机械系统的所有外力与外力矩、所有运动构件的质量 与转动惯量都向等效构件转化。
直线移动：
Fv
v2 2
dm v ds
m
vv
dv/dt ds/dt
v2 2
dm v ds
m
v
dv dt
定轴转动：
M
v
ω 2 dJv
2 d
Jvω
dω /dt ω 2
d/dt 2
dJv
d
Jv
dω dt
当系统的速比为常数时，Jv、mv为常数，有：
直线移动：力形式的运动方程 dv
Fv Fva Fvc m v dt
1 2
(m
《微机电系统》课件 (2)
6. MEMS在生命科学中的应用
MEMS在生命科学领域具有广泛的应用前景。本节将介绍MEMS在医疗领域、 生物检测和环境检测中的应用案例，以及相关的技术发展和挑战。
7. MEMS未来的发展趋势
MEMS技术正在不断发展，为各行各业带来了巨大的影响。本节将回顾MEMS技术的发展历程，并展望未来的 发展方向和市场前景分析。
2. MEMS制造工艺
MEMS制造工艺包括生产MEMS器件所需的工艺流程和技术。本节将介绍常用 的MEMS加工工艺，以及在MEMS制造过程中可能面临的问题和解决方案。
3. MEMS传感器
MEMS传感器是一种将感知物理量转换为电信号的器件。本节将介绍MEMS传感器的基本原理，并重点讨论 MEMS压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和微波传感器。
4. MEMS执行器
MEMS执行器是一种能够执行特定任务的器件。本节将介绍MEMS执行器的基本原理，并重点讨论MEMS振动器、 阀门和显示器。
5. MEMS系统集成
MEMS系统集成是将多个MEMS器件和其他电子元器件组合成一个整体系统的 过程。本节将介绍MEMS系统的集成方法、设计要点和未来发展趋势。
微机电系统 PPT课件 (2)
本课件将介绍微机电系统（MEMS）的概述、应用领域、制造工艺、传感器与 执行器、系统集成、在生命科学中的应用、未来发展趋势等内容。
1. 简介
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程相结合的多学科交叉领域。本节将概述MEMS的定义、 发展历程和重要性，为后续内容打下基础。
8. 总结
本课件综合介绍了MEMS的概述、制造工艺、传感器与执行器、系统集成、在生命科学中的应用以及未来的发 展趋势。同时探讨了MEMS对未来的影响，以及提高MEMS技术研究和应用水平的挑战与机遇。
《微机电系统》PPT课件 (2)
grams, AFOSR support basic research in materials and MEMS research, DARPA creates MUMPS foundry services with MCNC in 1993, NIST supports commercial foundries for CMOS and MEMS; ➢ In our country, “micron/nanometer manufacture technology national key laboratory” was founded in 1996; ➢ In 1992, Chris Pister (UCLA) creates first micromachined hinge, it’s features open possibilities for pseudo-3D structures and assembly; ➢ In 1992, MCNC starts the Multi User MEMS Process (MUMPS);
➢ In 1969, Westinghouse creates the “Resonant Gate FET” based on new microelectronics fabrication techniques;
➢ In 1970s, Bulk-etched silicon wafers used as pressure sensors;
Definition:
MEMS is the integration of electrical elements, mechanical elements, sensor, actuators on a common silicon substrate through micro fabrication technology. These system can sense, control and actuate on the micro scale, and function individually or in Saernrsoaryssgattohergeinnfeorramtateioenfffreocm ttsheoennvmiraocnrmeontsctharloeug.h
➢ In 1969, Westinghouse creates the “Resonant Gate FET” based on new microelectronics fabrication techniques;
➢ In 1970s, Bulk-etched silicon wafers used as pressure sensors;
Definition:
MEMS is the integration of electrical elements, mechanical elements, sensor, actuators on a common silicon substrate through micro fabrication technology. These system can sense, control and actuate on the micro scale, and function individually or in Saernrsoaryssgattohergeinnfeorramtateioenfffreocm ttsheoennvmiraocnrmeontsctharloeug.h
《微机电系统》PPT课件 (2)
measuring mechanical, thermal, biological, chemical, optical, and magnetic phenomena. The electronics then process the information derived from the sensors and through some decision making capability direct the actuators to respond by moving, positioning, regulating, pumping, and filtering, thereby controlling the environment for some desired outcome or purpose.
MEMS support programs, AFOSR support basic research in materials and MEMS research, DARPA creates MUMPS foundry services with MCNC in 1993, NIST supports commercial foundries for CMOS and MEMS; ➢ In our country, “micron/nanometer manufacture technology national key laboratory” was founded in 1996; ➢ In 1992, Chris Pister (UCLA) creates first micromachined hinge, it’s features open possibilities for pseudo-3D structures and assembly; ➢ In 1992, MCNC starts the Multi User MEMS Process (MUMPS);
MEMS support programs, AFOSR support basic research in materials and MEMS research, DARPA creates MUMPS foundry services with MCNC in 1993, NIST supports commercial foundries for CMOS and MEMS; ➢ In our country, “micron/nanometer manufacture technology national key laboratory” was founded in 1996; ➢ In 1992, Chris Pister (UCLA) creates first micromachined hinge, it’s features open possibilities for pseudo-3D structures and assembly; ➢ In 1992, MCNC starts the Multi User MEMS Process (MUMPS);
《机械动力学》课件
02
车辆动力学在车辆稳定性与控制方面有着重要 的应用，例如研究如何设计控制系统来提高车
辆的稳定性、安全性以及行驶性能。
智能驾驶
04
智能驾驶技术离不开车辆动力学的研究，通过 建模和控制算法的优化，可以实现更加智能、
安全的自动驾驶。
航空动力学
飞行器标动题力学
航•空动文力字学内主容要研究 • 文字内容
飞•行器文在字空内中容的运动 规•律，文包字括内飞容行器的 起飞、巡航、着陆等 各个阶段的运动特性
的发展。
机器人动力学
机器人运动学与动力学
机器人动力学主要研究机器人的运动规律和力学特性，包 括机器人的关节、连杆、驱动器等各个部分的动力学特性 。
柔顺控制
柔顺控制是一种先进的机器人控制方法，通过引入柔顺性 来提高机器人的适应性和安全性，减少碰撞和振动。
机器人控制
机器人动力学在机器人控制方面有着重要的应用，通过建 立精确的数学模型和优化控制算法，可以实现机器人的精 确控制和自主运动。
角动量守恒定律指出，在一个封闭系统中，如果没有外力矩作用，系统的总角动量保持不变。公式表示为 ΔL=ΔL0，其中ΔL和ΔL0分别表示系统初态和末态的角动量变化量。
动能定理
总结词
描述物体动能的变化与外力做功之间的 关系。
VS
详细描述
动能定理指出，外力对物体所做的功等于 物体动能的变化量。公式表示为W=ΔE， 其中W表示外力对物体所做的功，ΔE表 示物体动能的增量。
详细描述
非线性系统是指系统的输出与输入不成正比的系统，其 动态行为非常复杂，难以预测和控制。非线性动力学主 要研究非线性系统的分岔、混沌、突变等现象，以及这 些现象对系统性能的影响。
智能机械动力学
微机械MEMS系统技术与发展动力学PPT文档共84页
微机械MEMS系统技术与发展动力学
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。
微机械MEMS系统技术与发展动力学教材
可以预制，利用微机器人进入人体完成医 疗工作已不在是电影中的虚构情节。 产品一旦微小化，对于空间、材料、能 源都会节省。 在纳米科技领域来临之际，我们应该积 极研究微机电知识，以便未来进入更小尺 寸的纳米领域时，能够节省一些必要的工 作。
8．应用研究：
人们不仅要开发各种制造MEMS的技术， 更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、 信息通信、生物化学、医疗、自动控制、 消费电子以及兵器等应用领域相结合，制 作出符合各领域要求的微传感器、微执行 器、微结构等MEMS器件与系统。 应用可以分为两个方面：微机械、微机电
内燃机
高压线 光电编码器 点火线圈 点火器
课题组的实验台架
美国Sandia国 家实验室研制 的小型自动机 器人汽车，体 积为1in3
日本Denso公司 研制的微型汽车， 重量33mg，长 4.875mm,宽 1.730mm,高 1.736mm.
This 3/2 normally closed valve comes with button or roller actuation.
7. MEMS的发展
Байду номын сангаас
1959年，Richard P Feynman（1965年诺贝尔物 理奖获得者）就提出了微型机械的设想。1962年 第一个硅微型压力传感器问世，随后开发出尺寸 为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接 件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电 极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器 方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校 研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机， 显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集 成电路兼容以制造微小系统的潜力。
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振动、冲击、噪声国家重点实验室
概要 (Outline)
微机电系统的基本概况 MEMS动力学问题研究 微转子动力学问题研究 若干动力学问题的研究 MEMS动力学研究展望
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2 MEMS动力学问题研究
2.1 微尺度效应 2.2 多能域耦合效应 2.3 MEMS非线性动力学问题 2.4 动力学建模和模拟分析方法
振动、冲击、噪声国家重点实验室
各种驱动器的尺度效应
2.1 微尺度效应(Ⅴ)
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅵ)
驱动力的微尺度效应
静电力
电磁力
Fe
1 2
ε0εrWLV 2 d2
1 2
ε0 εrV
2
l l
2 2
1 2
ε0
εrV
2
l
0
热动力
F
I (L B)
ηAB 2 2
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.1 MEMS基本概念
微机电系统
MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems (USA) 微系统
Mcirosystem 微型机械
(Europe)
Micromachine 微科学
(Japan)
Microscience
(Some researchers)
MEMS动力学问题研究
孟 光 张文明
振动、冲击、噪声国家重点实验室
振动、冲击、噪声国家重点实验室
概要 (Outline)
微机电系统的基本概况 MEMS动力学问题研究 微转子动力学问题研究 若干动力学问题的研究 MEMS动力学研究展望
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1 微机电系统的基本概况
1.1 MEMS基本概念 1.2 MEMS基本模型 1.3 MEMS历史回顾 1.4 MEMS加工技术 1.5 MEMS研究成果 1.6 MEMS应用现状 1.7 MEMS技术小结
➢NEMS
100nm-0.1nm
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅲ)
微尺度律
S/V ratio shrinks with the scale
– friction > inertia – heat dissipation > heat storage – electrostatic force > magnetic force – energy coupling > energy production
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.4 MEMS加工技术
表面微加工技术 薄膜生成技术；牺牲层技术 体形微加工技术 化学腐蚀；离子刻蚀 LIGA技术和SLIGA技术 光刻、电铸及注塑 特种精密机械加工技术 电火花加工；激光加工；光造型加工 固相键合技术
阳极键合；Si-Si直接键合；玻璃封接键合；冷压焊键合
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅰ)
How small is small?
MEMS 象征着超小型计算机芯片与微型传感器、 探头、光学元件及执行器的密切结合。
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅱ)
尺度范围: ➢微型机械
0.01m-0.1mm
➢MEMS
0.1mm-0.1μm
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.2 MEMS基本模型
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.3 MEMS历史回顾
1947年，科学家率先发明半导体晶体管 1959年，诺贝尔物理学奖获得者Feynman教授发表著名 的MEMS预言演讲 ‘There is plenty of room at the bottom’ 1964年，Nathenson研制出第一个批量生产的MEMS设 备 resonant gate transistor 1984年，美国加州大学伯克利分校Howe 和 Muller利用 IC工艺开发出多晶硅表面微加工技术，此技术被誉为 MEMS加工技术的前奏 1988年，美国加利福尼亚大学伯克利分校研制出首台 静电微电机，标志着MEMS时代的来临
η 2
l
2
压电力
fuel
fuel
treaction A[ fuel]a
O2
0
eb Ea / RT0
A[ fuel]a
O2
0 b
e Ea / RT
l
0
Power
density m mf LHV
V
V
ρ tresidence
ρ
tresidence
l0
F
3d31EbhV 4L
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.5 MEMS研究成果
First batch-fabricated MEMS（1964）
First polysilicon surface micromachined MEMS device (1984)
First electrostatic micromotor（1988）
Important decrease in manufacturing relative accuracy
– Shrinking world, changing behavior
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅳ)
自然的灵感: 旋转运动
惯性矩的大小 I = ∫r2dm 微马达只需若干分之一秒 可达最高转速；而大马达 却需数秒才能达到全速
MEMS历史上几个重要的第一次
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.6 MEMS应用现状
振动、冲击、噪声国家重点实验室
➢ 军事国防 ➢ 生物医学 ➢ 环境保护 ➢ 工厂维修 ➢ 信息通信 ➢ 交通运输 ➢ 航空航天
➢ ……
1.7 MEMS技术小结
MEMS是人类科技发展过程一次重大技术整合 微电子、精密加工、传感器、执行器等技术 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变 MEMS极大地改善了人类生存方式与生活质量 大批量、低成本的微传感器、微热行器 MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
பைடு நூலகம்
3d31EV 4
l1 l1 l1
3d31EV 4
l1
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.2 多能域耦合效应
流体、固体等耦合 微泵 微阀 微型水压动力驱动器 电、热、机械等耦合 热致动器 热传感器 机、电、磁等耦合 梳状谐振器 静电、电磁微电机等 电场力、空气阻力、机械变形等耦合 微压电传感器 原子力显微镜微梁探针
概要 (Outline)
微机电系统的基本概况 MEMS动力学问题研究 微转子动力学问题研究 若干动力学问题的研究 MEMS动力学研究展望
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2 MEMS动力学问题研究
2.1 微尺度效应 2.2 多能域耦合效应 2.3 MEMS非线性动力学问题 2.4 动力学建模和模拟分析方法
振动、冲击、噪声国家重点实验室
各种驱动器的尺度效应
2.1 微尺度效应(Ⅴ)
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2.1 微尺度效应(Ⅵ)
驱动力的微尺度效应
静电力
电磁力
Fe
1 2
ε0εrWLV 2 d2
1 2
ε0 εrV
2
l l
2 2
1 2
ε0
εrV
2
l
0
热动力
F
I (L B)
ηAB 2 2
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.1 MEMS基本概念
微机电系统
MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems (USA) 微系统
Mcirosystem 微型机械
(Europe)
Micromachine 微科学
(Japan)
Microscience
(Some researchers)
MEMS动力学问题研究
孟 光 张文明
振动、冲击、噪声国家重点实验室
振动、冲击、噪声国家重点实验室
概要 (Outline)
微机电系统的基本概况 MEMS动力学问题研究 微转子动力学问题研究 若干动力学问题的研究 MEMS动力学研究展望
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1 微机电系统的基本概况
1.1 MEMS基本概念 1.2 MEMS基本模型 1.3 MEMS历史回顾 1.4 MEMS加工技术 1.5 MEMS研究成果 1.6 MEMS应用现状 1.7 MEMS技术小结
➢NEMS
100nm-0.1nm
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅲ)
微尺度律
S/V ratio shrinks with the scale
– friction > inertia – heat dissipation > heat storage – electrostatic force > magnetic force – energy coupling > energy production
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.4 MEMS加工技术
表面微加工技术 薄膜生成技术；牺牲层技术 体形微加工技术 化学腐蚀；离子刻蚀 LIGA技术和SLIGA技术 光刻、电铸及注塑 特种精密机械加工技术 电火花加工；激光加工；光造型加工 固相键合技术
阳极键合；Si-Si直接键合；玻璃封接键合；冷压焊键合
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2.1 微尺度效应(Ⅰ)
How small is small?
MEMS 象征着超小型计算机芯片与微型传感器、 探头、光学元件及执行器的密切结合。
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅱ)
尺度范围: ➢微型机械
0.01m-0.1mm
➢MEMS
0.1mm-0.1μm
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1.2 MEMS基本模型
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.3 MEMS历史回顾
1947年，科学家率先发明半导体晶体管 1959年，诺贝尔物理学奖获得者Feynman教授发表著名 的MEMS预言演讲 ‘There is plenty of room at the bottom’ 1964年，Nathenson研制出第一个批量生产的MEMS设 备 resonant gate transistor 1984年，美国加州大学伯克利分校Howe 和 Muller利用 IC工艺开发出多晶硅表面微加工技术，此技术被誉为 MEMS加工技术的前奏 1988年，美国加利福尼亚大学伯克利分校研制出首台 静电微电机，标志着MEMS时代的来临
η 2
l
2
压电力
fuel
fuel
treaction A[ fuel]a
O2
0
eb Ea / RT0
A[ fuel]a
O2
0 b
e Ea / RT
l
0
Power
density m mf LHV
V
V
ρ tresidence
ρ
tresidence
l0
F
3d31EbhV 4L
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.5 MEMS研究成果
First batch-fabricated MEMS（1964）
First polysilicon surface micromachined MEMS device (1984)
First electrostatic micromotor（1988）
Important decrease in manufacturing relative accuracy
– Shrinking world, changing behavior
振动、冲击、噪声国家重点实验室
2.1 微尺度效应(Ⅳ)
自然的灵感: 旋转运动
惯性矩的大小 I = ∫r2dm 微马达只需若干分之一秒 可达最高转速；而大马达 却需数秒才能达到全速
MEMS历史上几个重要的第一次
振动、冲击、噪声国家重点实验室
1.6 MEMS应用现状
振动、冲击、噪声国家重点实验室
➢ 军事国防 ➢ 生物医学 ➢ 环境保护 ➢ 工厂维修 ➢ 信息通信 ➢ 交通运输 ➢ 航空航天
➢ ……
1.7 MEMS技术小结
MEMS是人类科技发展过程一次重大技术整合 微电子、精密加工、传感器、执行器等技术 微小型化、智能化、集成化、高可靠性 MEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成 在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变 MEMS极大地改善了人类生存方式与生活质量 大批量、低成本的微传感器、微热行器 MEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长 不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统
பைடு நூலகம்
3d31EV 4
l1 l1 l1
3d31EV 4
l1
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2.2 多能域耦合效应
流体、固体等耦合 微泵 微阀 微型水压动力驱动器 电、热、机械等耦合 热致动器 热传感器 机、电、磁等耦合 梳状谐振器 静电、电磁微电机等 电场力、空气阻力、机械变形等耦合 微压电传感器 原子力显微镜微梁探针