微机械系统技术与发展动力学PPT课件
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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
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
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
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
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
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
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
Fห้องสมุดไป่ตู้
3d31EbhV 4L
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
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
1.5 MEMS研究成果
First batch-fabricated MEMS（1964）
First polysilicon surface micromachined MEMS device (1984)
First electrostatic micromotor（1988）
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)
➢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
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
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
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
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
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
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
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
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
Fห้องสมุดไป่ตู้
3d31EbhV 4L
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
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
1.5 MEMS研究成果
First batch-fabricated MEMS（1964）
First polysilicon surface micromachined MEMS device (1984)
First electrostatic micromotor（1988）
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)
➢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
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