微型机械整理资料

微型机械整理资料第一篇中文资料整理一、微型机械的概念及特点微型机械（Micromachine，日本惯用词）或称微型机电系统（MicroElectro-MechanicalSyetems，即MEMS，美国惯用词）或微型体统（Microsyetems，欧洲管用词）是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为1nm一10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加价值高等。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化业。微型机械技术是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它研究和控制物质结构的功能尺寸或分辨能力，达到微米至纳米尺度。微型机械技术涉及电子、电气、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学、光学、医学以及生物技术等多种工程技术和科学并集约了当今科学技术的许多尖端成果。微型机械的特点决定了它广泛的应用前景。微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微型器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。在21世纪，微型机械将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等的发展产生重大影响。二、微型机械加工技术微型机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技、经济的发展和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展也有着巨大的产业化应用前景。微型机械加工技术是指制作微机械或微型装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展最早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体材料上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路，电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术和标志，微细加工对微电子工业而言就是—种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术。目前微型机械加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工工艺和体加工工艺，80年代中期以后在LIGA（光刻电铸）加工、准LIGA加工、超微细机械加工、微细电火花加工（EDM）、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得了相当大的进展。1、国外技术现状1959年，RichardP.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。其后开发出尺寸为50-500µm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微型机械。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的硅微型静电电动机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国的MlT、Berkeley、Stanford、AT＆T和NSF的15名科学家在20世纪80年代未就提出“小机器、大机遇：关于新兴领域—微动力学的报告”的国家建议书，声称“由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”，建议中央财政预支费用为5年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。1994年发布的《美国国防部国防技术计划》报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和其军事应用，现已建造一条MEMS标准工艺线以促进新型元件／装置的研究与开发。美国工业界主要致力于压力传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。有关微型机械系统的工作几乎全部在大学进行，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学等。劳伦兹利莫尔国家研究所也参于MEMS开发工作，加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万美元后，建立了1115平方米研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年的耗资250亿日元的“微型机械”大型研究计划，研制两台样机，—台用于医疗，进入人体进行诊断和微型手术，另—台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该汁划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国首创的LIGA工艺为MEMs的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。欧共体组成“多功能微系统研究网络NEXUS”，联合协调46所企业和64个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造业和小型精密机械工业的基础上也投入丁MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制定了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研制出来，例如：尖端直径为5µm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mmx7mmx2mm的微型泵流量可达250µl／min，能开动的3mm大小的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性测量组合（MIMU）。德国创造丁LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴，湿度、流量传感器，多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm左右的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅微加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和自检正电路等）—起集成在3mmX3mm硅片上。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5µm的微细轴。2、国内技术现状我国在科技部、国家自然科学基金委员会、教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有微电子设备和同步加速器为微系统研究提供了基本条件，微型驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围分别为5µm和50µmx50µm，在此基础上，还研制出位移范围为50µmx50µmx50µm，精度为0.1µm的三自由度压电陶瓷驱动的微型机器人。哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，其位移范围为10µmx10µm，位移分辨率为0.01µm，正在研制六自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电功机、电磁电动机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制以直径为400µm的多晶硅齿轮、气动涡轮、微静电电动机和压电电动机；清华大学开展并研制出了微电动机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出直径为2mm的电磁电功机，南开大学开展了微型机器人的控制技术的研究等。3、微型机械的发展趋势微型机械的发展刚刚经历了十几年，在加工技术不断发展的同时发展了一批微小器件和系统，显示了巨大生命力。到2000年，压力传感器将居市场的主导地位（25％）、其次为光学开关（21％）、惯性传感器（20％）、流体调节与控制（19％）、大容量存储器（6％）和其他器件（9％）。1995年全世界微型机械的销售额为15亿美元，到2000年将猛增至139亿美元，并带动2000亿美元的相关市场，显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。微型机械是一门交叉科学，和它相关的每一技术的发展都会促使微型机械的发展。随着微电子学、材料学、信息学等的不断发展，微型机械具备了更好发展基础，加上巨大的应用前景和经济效益以及政府、企业的重视，微型机械发展必将有更大的飞跃，新原理、新功能、新结构体系的微传感器、微执行器和系统将不断出现，并可嵌入大的机械设备，提高自动化和智能化水平。三、微小型化的尺寸效应和纳米摩擦学1、微小型化的尺寸效应伴随着机械构件的微小化将出现尺寸效应，即制造微构件的材料性能特别是力学性能将发生很大变化，微型机械的微小型化的尺寸效应通常出现在构件的一定尺寸范围内，尺寸效应反映在多方面：（1）力的尺寸效应。在微小尺寸领域，与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相应减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2）、表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对较大。（2）表面效应。随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，因而传导、化学反应等加速，表面间的摩擦阻力显著增大。（3）误差效应。对于微小构件，加工误差与构件尺寸之比相对增大，这可能使微小机械的特性受误差影响甚大。（4）材料性能。尺寸减小，材料内部缺陷减少，材料的机械强度大幅度增大。微型薄膜构件的弹性模量、抗拉强度、残余内应力、断裂韧性、疲劳强度等与传统构件的不尽相同，当尺寸减小到一定程度，有些表征材料性能的宏观物理量需要重新定义。2、纳米摩擦学随着尺寸减小，人们需进一步研究微动力学、微细管道流体特性、微小物体的热力特性、微观摩擦机理及仿真、拟实技术等。微观摩擦机理主要指纳米摩擦学，其是建造微型机械的关键技术，纳米摩擦学是在原子、分子尺度范围内，研究摩擦界面上的行为与损伤及其对策，包括纳米膜润滑和微摩擦磨损机理，以及表面和界面的分子（原子）工程研究，即通过材料表面改性或建立超薄膜润滑状态，达到减摩耐磨的目的。微型机械系统的设计加工对纳米摩擦学的研究和发展提出以下几方向的要求：（1）对于微型机械系统中作为运动阻力的摩擦，应尽可能地降低摩擦能耗，甚至实现零摩擦。另一方面，微型机械系统往往利用摩擦作为牵引力或驱动力，例如在管道内爬行的微型机器人，即是利用管壁摩擦力来驱动，此时则要求摩擦力具有稳定的数值，而且可以适时地进行控制和调节。（2）通过超精密制造的微型机械，其摩擦副的间隙常处于纳米量级甚至零间隙。这种情况下的摩擦磨损和润滑问题，不能再用宏观摩擦学的理论来分析和处理，而必须研究以界面上的原子、分子为分析对象的纳米摩擦学。近年来研究表明，由于纳米尺度的超细颗粒制备的表面膜具有不同于整体材料的独特性能，而超薄润滑膜的性质也不同于粘件流体膜和吸附边界膜，通过界面分子工程可望形成低剪切和高承载量的界面层。（3）纳米摩擦学在微型机械中另—个主要研究领域是建立以分子（原子）动力学为基础的计算机模拟研究，其基本要点是建立一个粒子系统，以模拟所研究的摩擦学现象，通过数值方法，计算该系统中所有粒子运动规律，再由统计平均求得系统的宏观性质和行为。应用分子（原子）动力学模拟技术，在表面接触形态和微观变形、滑润剂分子层的剪切性能，以及超薄润滑膜流变特性和相交等方面也取得重要进展。（4）微型机电系统中带电接触副和摩擦副的微观摩擦磨损与防护，以及要求超净环境的微观密封技术等，也是纳米摩擦学中有持研究的重要课题。纳米摩擦学是微型机械学中发展最为迅速的领域，己取得重大突破。在实验研究方面，已经建立了研究界面分子层摩擦磨损行为和超薄膜润滑机理比较完善手段和测量仪器，包括不同纳米间隙下摩擦界面上作用力和粘着能量测量，表面分子涂层和超洁净表面摩擦特性实验研究，应用原子力显微镜和分子力显微镜研究表面纳米厚度层的力学性质，以及单分子吸附膜的摩擦力和流变特性，根据光干涉相对光强原理研制的薄膜测量仪用纳米润滑薄膜特性研究等。通过实验研究已提出了微摩擦起因、界面粘着机理以及边界润滑膜的构性关系等一系列观点。四、微型机械材料和微型构件微型机械加工所用制造材料主要有硅体物质（单晶硅、多晶硅、处延硅层、二氧化硅、氮化硅、碳化硅）、光致抗蚀剂、石英、金刚石、压电陶瓷、记忆合金和稀贵金属等。具中最主要的基础材料是单晶硅，迄今几乎所有微型机械基本上都是以单晶硅为基底，在其中进行各种平面或体加工而制成的，这是因为单品硅有如下特点：一是由于它有最适宜于微细加工的结构和特性，拥有类似于金刚石的晶体结构；二是由于它比多数金属硬度高，有适用于微型机械应用的足够机械强度和耐疲劳的能力；三是由于其来源广泛，提纯和控制技术成熟，为制造价廉的微型机械提供了先决条件。对于新发展的可动型微型机械，因单晶硅有脆性大、摩擦系数大、高速运动下易断裂的缺点，一般都采用多晶硅制造，但通常仍需以单晶硅为基底，再在单晶体上淀积多晶硅，然后对多晶硅进行各种构形加工。微结构材料由于其特殊的制造方法而具有与整体材料不同的物理性能，整体材料通常经熔炼、压延、切削加工等成形过程，而微机械构件大多用气相、液相或固相法等完全不同的方法制造，它们的物理性能与制造过程密切相关，而且材料性能随着构件结构和加工制造方法和工艺参数变化很大。微型机械零件所用材料可依据构件的功能和加工制造方法来选择。（1）功能材料。用于致动的功能材料有水晶、氧化锡、PZT等电致伸缩材料；钛镍合金等形状记忆合金材料；镍铁合金等永磁材料；受热变相的凝胶材料等。（2）构造材料。半导体微细加工材料包括单晶硅、多晶硅、氮化硅等硅材料；陶瓷等非金属材料；聚酰亚胺等高分子材料；铝、钨、钼、铬、金等金属材料。LIGA加工方法主要以镍、铜、金等金属材料和塑料为主。超精密机械加工则以各种金属材料为构造材料。微型构件除是MEMS的重要组成都分外，还可能有单独的用途，如微型热交换器、冷却器、微型滤波器、蒸馏塔、微型工具、微型探针和灵巧轴承等。五、微型机械的测试技术微型机械加工技术的发展离不开微型机械测试技术装置的发展。这其中最令人振奋的是扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope即STM）的出现，IBM苏黎世研究所的Binnig和Bohrer在80年代初成功地发明了这种仪器，为此获得1986年诺贝尔物理奖，接着又在STM基础上派生出原子力显微镜（AtomicForceMicroscope即AFM）。STM是利用导体针尖与样品之间的隧道电流，并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品的表面扫描，从而能以原子尺度记录样品的表面形貌以及获得原子排列、电子结构等信息。STM的主体由三维扫描控制器、样品逼近装置、减震系统、电子控制系统、计算机控制数据采集和图像分析系统等组成，STM工作原理是利用量子隧道效应。STM的纵向分辨率己达到0.01nm，横向分辨率优于0.2nm。STM可用来研究各种金属、半导体、生物样品的表面形貌，也可研究表面沉积、表面原子扩散和徙动，表面粒子的成核和生长、吸附和胶附等。STM可在真空、溶液、常温、低温等不同环境下工作。使用STM和AFM等这类显微镜，可以观察到原子、分子的结构，从宏观进入到了微观世界。STM的出现在国际上一度掀起了巨大热潮。根据不同检测物理量，基于STM发展起来了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面纳米尺寸上表现出来的物理与化学性质的扫描探针显微镜SPM（ScanningProbeMicroscope）。此外，光学干涉显微测量技术亦得到长足发展，如外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术随着一些新技术、新方法的应用亦具有纳米级测量精度。新型微型机械的测试仪器对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术等众多领域有重大意义和更广阔应用前景，最近利用STM、AFM检测表面粗糙度和晶粒高度差，已相当成功。更为可喜的是，基于STM的纳米加工技术，可操纵原子和分子。如美国IBM公司利用STM将35个Xe原子构成“IBM”三个字母。中国科学院化学所通过STM，将原子摆放成我国的地图；预计STM将会有更大突破，如华中理工大学利用STM—AFM做了金刚石刀尖钝圆半径的测量。已有信息表明，人们可利用STM做更高集成度的大规模集成电路。如在硅片上覆盖一层20nm厚的聚甲基丙烯甲酯，再利用STM光刻，可得到10nm宽的线条。最近为了突破高分辨率的大尺寸的测量，日本松下技研（株）将AFM探针装到三坐标测量机的测头上，制造了一台纳米分辨率精度的三坐标测量机；中国科技大学精密机械和精仪系，研制成与光学显微镜结合的STM，在CCD摄像机监控下，利用XY冲击式样品台，可将针尖移动到10mmxl0mm样品上的特定区域上扫描，仪器是有原子级量级的分辨率，最大扫描范围可达2µmx2µm。东京大学高增洁介绍最近研制了以纳米分辨率级的nano—CMM（nano—三坐标测量机），这对当前微机械发展提供了较好环境条件。以上资料摘自：盛晓敏,邓朝晖.先进制造技术.北京:机械工业出版杜,2000.9:177-189.苏继龙介绍了微构件外形几何尺寸和材料内部微结构尺寸对其弹、塑性力学性能尺度效应耦合影响的实验和模型研究的国内外重要进展。主要介绍了拉伸试验方面、弯曲试验方面及模型分析方面的国内外进展情况，并指出这些研究存在的不足：（1）只从微构件某一个尺寸的角度（如厚度）展开，且测试数据离散性较大，一定程度上降低了实验和理论分析结果的通用性和权威性；（2）尚缺少定量描述尺寸效应与构件外形尺寸和材料内部微结构尺寸之间耦合影响关系的模型，也未能全面阐明尺度效应多尺寸影响的内在物理机理。提出了今后的研究方向：综合考虑微构件外形尺寸和内部显微结构尺寸对其力学性能的影响，建立预测其力学性能尺度效应的分析模型，探索弹性和塑性尺度效应过渡区的尺寸相关的特征及基于位错的微观机理。文永蓬以提高微机械陀螺性能为目的，设计了一种新颖的音义振动式微机械陀螺，并对其进行了动力学分析。国内外很多学者都提出过各种不同的MEMS动态系统建模与仿真方法，其中以MIT的Gabbay博士提出的黑箱模型以及CarnegieMellon大学的Fedder教授提出的节点分析法最为有名[1]各种基于等效电路法与混合信号硬件描述语言法(VHDL-AMS)的MEMS动态系统建模与仿真软件，如NODAS[1],SUGAR[2]软件也逐渐被应用到了MEMS设计过程当中。[1]VandemeerJE.Nodaldesignofactuatorsandsensors[D].Pittsburgh,USA:CarnegieMellonUniversity,1998.[2]BaiZ,BindelD,ClarkJ,etal.NewnumericaltechniquesandtoolsinSUGARfor3DMEMSsimulation[A].TechnicalProceedingsofthe2001InternationalConferenceonModelingandSimulationofMicrosystems[c].Orlando,USA:NanoScience&TechnologyInstitute,2001.31-34.随着微机电系统的发展，机构的特征尺寸及相互间距常处于微米、纳米量级，因此需要考虑量子力的影响，如Casimir力。常更生华对平行平面间的Casimir力进行分析，表明随着间距的减小Casimir力会迅速增人，然后得出微弹簧震子的结构模型，通过模型的受力和动力学研究发现，机构发生粘附效应不仅与其自身的特征参数C有关，还同被粘附构件的初始位置或初始能量有关。许多微尺度实验证实，一些材料在微尺度下的力学性能存在尺寸效应。孔胜利基于一种修正偶应力理论，研究细长压杆屈曲载荷的尺寸效应现象，利用变分原理得到细长压杆屈曲变形的控制方程和相应的边界条件。通过对相应的屈曲边值问题的求解，得到细长压杆的屈曲载荷表达式。结果表明，当细长压杆的特征尺寸与其材料本征尺度参数相当时，其屈曲载荷显著增大，表现出明显的尺寸效应。微旋转机械是MEMS中主要的驱动装置和动力源，得到突破性进展，先后出现了静电微电机、微涡轮机、微发动机等微旋转机械。在微旋转机械中，由于IC(integratedcircuit)加工、装配等原因，微转子会产生较大偏心，引起微转了系统的振动以至于产生碰摩，特别对于超高速微旋转机械，当偏心引起的振动超过一定的限度，往往会导致系统运行出现故障。张文明以Jeffcott微转子系统为研究对象，建立微转子系统的碰摩力学模型和系动微分方程，应用现代非线性和转子动力学理论，采用定步长四阶Runge-Kutta法对运动微分方程进行数值分析，得到微转子偏心量变化时的振动响应，以偏心量为分岔参数分析微转子碰摩时的振动响应与非线性动力特性，并以实验结果讨论偏心量对微转子系统动力特性的影响。苏继龙多晶体材料微构件尺度效应的实验和模型研究MicronanoelectronicTechnologyVol.46No.10：610-615文永蓬基于滑膜阻尼的间接连接型音叉式微机械陀螺常更生华量子力对微、纳米级机构的影响研究机械设计Vol.22No.7:4-6孔胜利基于偶应力理论的压杆屈曲载荷的尺寸效应机械强度2009,31(1):136-139张文明碰摩微转子系统非线性动力特性研究机械强度2006,28(4):475-479贾延龄利用多刚体系统动力学中的R．S．Huston法，对其中既有集中质量载荷，又有均布质量载荷，刚体间既允许有低副连接，也允许有高副连接，刚体运动既受串联关系影响，又受并联关系影响的复杂机械力学系统，利用图论描述其结构，经实施两种性质不同的减缩化，使之成为有根树状力学系统，建立起统一的动力学模型．获得了一般的动力学方程。可采用Broyden法求解非线性方程，以及用Adams—PECE法求积。贾延龄复杂机械系统动力分析山东建材学院学报Vo1.11No.31997年9月:224-230李华用Adomian分解算法的思想，把机械系统中最一般的动力学模型转化为一阶标准型微分方程组，以形式上的精确解的表达式为基础构造了求解机械系统非线性模型近似解析解的A一算符方法(AOM)；在所建立的AOM的基础上，首次提出了基于AOM的符号一数值方法(S—N方法)。最后，应用AOM得到了单自由度凸轮一从动件非线性系统模型近似解析解的表达式，分析了该算法的误差。对两自由度凸轮一从动件非线性系统应用基于AOM的S—N方法进行了数值研究，得到了系统的数值计算结果。算例表明，AOM是求解非线性方程的一种可行而有效的方法。李华机械非线性动力学分析的A-算符方法机械工程学报Vo1.38No.7Ju1．2002:31-36微机械是人们认识和改造微观世界的一种高新技术，国际上至今对它还没有一个统一的定义。日本的一些学者根据结构的特征尺寸将微机械分为3种类型：1～100mm为微小型机械；10µm～lmm为微机械；10nm～10µm为纳米机械。它在美国常称为微机电系统，在日本称作微机器，而在欧洲则称作微系统，以其体积小，重量轻，惯性小，耗能低，性能稳定，谐振频率高，响应时间短，生产成本低，利于大批量生产，附加值高等特点，在生物医学、航空航天、军事和工农业各方面有广阔的应用前景，对人类社会文明有重要意义。目前，对于微机械产品的研制开发主要侧重于制造加工工艺方面，并且已取得了一定的进展。然而，在微机械设计理论方面尚缺乏系统研究，这严重束缚了微机械的进一步发展，微机械动力学是微机械设计理论的一个重要组成部分。1、微机械动力学研究的意义微机械并非传统意义下宏观机械的几何尺寸的缩小，当系统特征尺寸达到微米或纳米量级时，许多物理现象与宏观世界的情况有很大差别，如：在微机械中，构件本身材料的物理性质将会发生变化；一些微观尺度的短程力所具有的长程效应及其引起的表面效应会在微观领域内起主导作用；在微观尺度下，系统的摩擦问题会更加突出，摩擦力则表现为构件表面问的分子和原子的相互作用，而不再是由载荷的正压力产生，并且当结构的特征尺寸减小到某一程度时，摩擦力甚至可以和系统的驱动力相比拟。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大。此外，微构件的变形与损伤机制与宏观构件也不尽相同等等。针对微机械研究中呈现出的这些新特征，传统的机槭动力学理论与方法已不再适用，这已严重地限制了微机槭的发展，造成了目前微机电系统呈现“能看不能动，能动不能用”的状况。可以说，微机械动力学的研究是当前微机槭发展的一个瓶颈、微机械的发展迫切需要建立相应的设计理论。微机械动力学研究微构件材料的本构关系、微构的变形方式和阻尼机制、微机构的弹性动力学方程等主要科学问题，揭示微构件材料的分子(或原子)成分和结构与材料的弹性模量和泊松比、微构件的刚度和阻尼以及微机械的弹性动力学特性等之间的内在联系，从而保证微机电系统在微小空间内实现能量传递、运动转换和调节控制功能，以规定的精度实现预定的动作。因此，微机械动力学的研究将取得多方面的创新成果，这些成果不仅有重要的科学意义和学术价值，也有很好的应用前景．2、微机械动力学的研究内容与关键问题纳米量级的微机械一般为准平面结构或二维掩膜的纵深结构，其组成构件是由数十或数百个原子(或分子)组成，因此，基于连续介质力学的传统理论不再适合了。同时，随着机械尺寸的减小，构件材料的物理性质及其对外界条件变化的响应会有很大改变，微机槭的动力特性和力学行为也均会发生变化，如，微观摩擦学理论研究表明：在微观尺度上受到的极轻载荷作用时，材料的摩擦磨损性能主要取决于它的表面物理和化学性质而不是其力学性能。此外，微构件的抵抗拉伸、压缩、弯曲和扭转的机械性能与宏观范畴中的也有不同，而这些内容正是微机械动力学需要研究现象解决的。由于对微机械动力学的研究涉及众多和宏观领域不同的新特征，所以，无论是在理论上还是实验上，都需要采用与传统理论不同的研究方法。而量子力学、分子力学等现代物理学知识已揭示了物质原子、分子间的相互作用，因此，可应用量子力学等理论根据构成微构件的原子(或分子)情况，分析微构件材料的弹性模量与泊松比，及构件的刚度、阻尼等；虽然力的尺寸效应、表面效应等使微机电系统表现的物理现象与宏观机械有很大差别，但微机电系统的物理行为仍符合能量、动量、质量守恒原理，因此可考虑其各种力场、各种形式的能量等，依据这些原理建立其动力学方程；由所建微机电系统动力学模型，根据现代非线性理论分析其运动稳定性等动态特性，虽然难度较大，但肯定是可行的；现行的动态仿真软件为微机械的动态仿真工作提供了有力的工具。综上所述，微机械动力学有待研究的内容及其可实现的途径可归纳如下：(1)应用量子力学、分子力学及分子动力学方法，从组成微构件材料的原子或分子问的静电力、诱导力、色散力、钻穿力、阻尼力等各种作用力人手，研究微构件材料的本构关系，微构件的刚度和阻尼；(2)微机械的加工工艺根本不同于传统的宏观机械，微机械的组成与宏观机械有显著差别，因此要借鉴宏观机构运动分析与综合的理论和经验，根据微组合机构的微环境和特殊结构特点，进行微组合机构的分析和综合研究；(3)在微机械系统中，各种作用力的相对关系也会发生相应的改变，对宏观机械系统动力性能的描述有待修正甚至重新建立，这就需要综合考虑粘性力、弹性力、表面张力、静电力、惯性力、电磁力等的影响，由能量守恒原理建立微机电系统的弹性动力学方程；(4)综合应用F1oquet理论、摄动法、非线性解耦分析算法研究微机槭的运动稳定性、准静态响应以及临界转速等的关系；(5)根据以上研究的基础，在三维动态软件平台上开发微机械的动态仿真与优化设计软件，充分利用相关学科的知识，并考虑各子系统是协同效应，应用有效的优化设计思想来进行微机械系统的整体最优设计。由于微机械动力学研究涉及到介质领域甚至微观领域，所以系统中的各种力的作用效果及其动力特性与宏观结构的不同，这些都是其研究的主要内容，其中，需要解决的关键问题有：(1)微构件材料中各种作用力的综合影响，微构件静变形模式与振动模态的确定；(2)考虑微机电系统各种力场能量的系统势能计算；(3)各类参数相互耦合的强非线性微分方程的定性定量分析。蔡敢为微机械动力学研究湘潭矿业学院学报V0L.l7No.12002年3月:24-26陈李提出了一种新型的电磁式微机械振动环陀螺结构：为优化陀螺的设计和提高陀螺的性能，在推导微机械陀螺集总参数模型的基础上，建立了电磁式微机械振动环陀螺的数学模型，得到了影响陀螺灵敏度的因素，据此对陀螺参数进行优化设计。采用有限元分析方法和实验测试方法相结合来验证该模型和设计方案的可行性。陈李.一种电磁式微机械振动环陀螺的建模与优化.纳米技术与精密工程.Vo1.7No.3,2009年5月:233-238葛金生在他的硕士学位论文《MEMS微结构动力学特性研究》中，以微电子机械系统中常用的传感结构一微悬臂梁为研究对象，在考虑尺度效应和空气粘性的情况下，以牛顿理论为基础，通过应变梯度理论和哈密顿变分原理建立微悬臂梁的动力学方程，在对空气阻尼进行简化的基础上，给出其封闭解。使用matlab语言编制仿真程序，对微悬臂梁的谐振频率及其影响因素，包括尺度效应进行了分析。微系统的力学属于细微尺度力学范畴，主要包括：微运动学和微动力学理论、力一电一热一光一磁一化学一生物藕合力学、微结构与材料力学理论、微摩擦学、微传热学、微系统的力学设计与优化理论、微测量技术。在支配物理现象的所有作用力中，长度尺度是表征作用力类型的基本特征量。由于特征长度的微小化，在系统中表现出静电力>表面张力＞弹性力和粘性力>重力、惯性力和电磁力。因此，在微系统中，与体力相比表面力起主要作用。特别是微系统中器件的表面积与体积之比很大，更加突出和强化了表面力和其它表面效应的作用。表面力是微系统中摩擦力的重要来源，尺度越小，相对摩擦力越大，因而摩擦力和粘性力成为微系统的主要问题。本文主要包括一下内容：MEMS微结构的动力学分析。通过对微悬臂梁力学模型的分析，建立系统在PZT激励下的振动微分方程，通过分离变量法和模态叠加法给出考虑空气阻尼时，微悬臂梁振动方程的封闭形式的解。以上面的理论为基础，进而得到超声波激励下，考虑空气阻尼的微悬臂梁动力学方程的解。MEMS微结构的尺度效应，首先简单介绍尺度效应的概念，明确微尺度对于微结构的动力学特性具有较大影响。然后介绍了近年来发展比较快的偶应力理论，通过COSSerat理论在本构关系中引入材料的本征长度，由Hamilton变分原理推导出在PZT激励下，考虑空气阻尼和尺度效应的微悬臂梁的振动方程。通过解此偏微分方程，得到其封闭形式解。以上面的理论为基础，推导出使用超声波激励时，动力学方程解的封闭形式。动力学仿真。给出具体的微梁参数以及环境参数(空气粘性系数和密度等)。使用matlab语言编制仿真程序，分析微悬臂梁的动态响应(主要是谐振频率)，并绘制相关的曲线。通过对仿真曲线的分析，研究了微悬臂梁的动力学特性，为微器件的设计提供理论依据。陈真勇通过建立微梁单元的三维动力学模型，应用节点分析方法，分别对带有微梁断裂、结构固定的微机械结构进行了动力学特性分析。计算结果表明微梁断裂使微机械结构的刚度降低，从而导致其固有频率变低，而结构固定则相反。陈真勇带缺陷的微型机械结构动力学特性分析*机械工程学报2004年6月第40卷第6期:23-27栗大超在其博士学位论文中详细分析了硅微机械扭转镜光致动器的研究现状基础，从器件的光机电特性理论分析方面系统地开展了新型硅微机械扭转镜光致动器的研究，讨论和分析了硅微机械扭转镜光致动器的动力学特性、机械冲击响应特性、微镜的动态变形特性和自重特性等力学理论问题；讨论和分析了基于侧壁驱动与底座驱动的扇形非线性电场静电致动方式与基于垂直扭转梳齿结构的场致转动静电致动方式等硅微机械扭转镜光致动器静电驱动系统的致动机理等电学理论问题；讨论和分析了硅微机械扭转镜光致动器的光耦合插入损耗特性、微镜镜面的光学散射特性以及用于牺牲层释放的腐蚀孔的光学衍射特性等光学理论问题，首次获得了七种因素共同作用下硅微机械扭转镜光致动器光耦合插入损耗的统一的数学表达式。在对硅微机械扭转镜光致动器的光机电特性系统地理论研究的基础上提出了硅微机械扭转镜光致动器的结构设计准则。栗大超硅微机械扭转镜光致动器及其动态测试技术的研究罗跃生在其博士学位论文研究了硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的基本结构，详细讨论了它的工作原理。得到其活动质量当陀螺仪在惯性坐标系中作定常角速度转动时的加速度表达式。并利用牛顿力学定律推导了硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪工作时所满足的精确的微分方程模型。而且在不同情况下对数学模型进行求解，利用方程的解分析了该陀螺仪的基本工作规律。利用刚体转动的欧拉动力学方程，详细地推导了振动轮式微机械陀螺仪，框架式硅微角振动陀螺仪和内框驱动双框架式硅微角振动陀螺仪精确的微分方程模型。并利用它的基本工作特点对该微分方程模型进行了简化，讨论了简化的合理性。而且在不同情况下对简化的数学模型进行求解，利用方程的解分析了振动轮式微机械陀螺仪的基本工作规律。罗跃生硅微型陀螺仪的力学分析和数学模型燕山大学许立忠教授提出一种微型广义复合传动系统：机电集成静电谐波微传动系统。该传动系统主要由一个微柔性圆环和一个外环定子电极组成，外环定子电极和微柔性圆环之间被顺序施加电压，产生的旋转电场将导致微柔性圆环周期性的弹性变形，从而导致柔轮和定子之间静电作用部位周期性的变化，进而驱动柔轮和支撑轴旋转，实现低速大扭矩的动力输出。祝翠荣以以施加电场力的微圆环为对象，建立了机电耦合动力学模型。利用能量原理求解机电耦合作用力，通过对作用力进行傅立叶级数展开计算了微圆环的径向位移，利用连续系统的振动原理，建立了系统的机电耦合动力学方程。利用模态叠加法，分析简谐力激励下的受迫振动。同时给出了电系统的动力学方程，并分析了简谐激励下的电量变化。祝翠荣机电集成静电谐波微传动系统机电耦合动力学耿照新首先对两种类型的微阀特性进行了深入的研究，对悬臂梁阀片和具有四个折叠梁阀臂的阀片进行了理论分析，并考虑了悬臂梁阀片在液体工作环境中的附加质量和附加阻尼。在此基础上，优化并制作出阀片、阀座和阀孔，通过反复实验确定了SU一8胶阀片的工艺参数。结合对理论分析中影响微泵性能的诸多因素，制作了四种不同规格微泵。所研制四种结构微泵采用双层压电梁驱动，单面驱动，简化了微泵的结构，便于封装。耿照新基于MEMS技术的微阀和微泵的设计与研制谢兴军对现有典型的MEMS开关做了分析。谢兴军静电驱动MEMS微波开关设计与仿真李瑰贤针对与原子力显微镜探针相似的微悬臂梁结构,利用宏观模拟微观的方法，研究了空气中微悬臂梁的动力学特性。首先，划分了微悬臂梁的振动阶段,并建立了振动过程中的动力学模型，然后利用JKR理论分析了微悬臂梁与基体表面发生接触变形的阶段。结果表明，空气中微悬臂梁的动力学特性分析应主要集中于存在液桥张力的阶段,并证实振动过程中基体表面有颈缩现象发生。李瑰贤空气中类原子力显微镜悬臂梁的微梁动力学分析孙东明对扭臂结构的MEMS静电微驱动器进行了深入的研究，建立了分析模型，在此基础上进行了静态分析、动态分析以及测试等方面的研究。首先通过有限元（FEM）模态分析，确定了微驱动器在驱动电压作用下可能出现的运动模式，即扭臂的弯曲运动模态和扭臂的扭转运动模态，并给出了以上两种运动模态的分析方法，对给定驱动电压条件下的两种运动情况进行了对比分析，确定了微驱动器工作状态下的运动模式。然后，对微驱动器模型的静态特性和动态特性进行了详细的分析，讨论了微驱动器的静电Pull-in现象，分别针对忽略空气阻尼和考虑空气阻尼的两种情况，详细讨论了MEMS微驱动器的动态特性的分析结果。最后，介绍了采用CCD技术的光学测量装置的设计方案，通过理论分析设计，优化了实际测量时应该采用的参量，并且测量结果同理论分析结果进行了分析讨论。根据静电力矩和恢复力矩的平衡条件ME=MT，可以得到描述扭转模态的电压V和悬臂梁的偏移量Y的关系曲线，如图2-8所示。可以看出，随着驱动电压V的逐渐增加，偏移量Y逐渐增大；在曲线的A点处，悬臂梁的运动产生Pull-in现象，悬臂梁迅速向下移动直至与下电极接触。在微驱动器的动态特性分析中，需要考虑的力矩有：静电力矩、恢复力矩、空气阻尼力矩和自身重力力矩。对于平行板电容结构的MEMS微驱动器而言，阻尼主要来源于压膜阻尼效应。孙东明扭臂结构的MEMS静电微驱动器的特性研究贾尚帅在其硕士学位论文微电子机械系统非线性动力学研究中，以一个电阻、电感、电容（RLC）串联电路与微梁耦合系统为对象，考虑系统的动能、势能、磁能和电场能，记入系统的耗散做功和非保守广义力的影响，应用Lagrange-Maxwell方程建立一个RLC串联电路与微梁耦合的非线性动力学模型。运用非线性振动理论对微梁系统、电路系统、微梁多模态系统以及RLC电路与微梁耦合系统分别进行动力学分析。在关于电容上极板吸合电压分析中，得到一组固定参数下的吸合电压值，对于系统施加的电压应不超过吸合电压值。发现在微梁系统中，系统的固有频率随着电容两极板间距的增大而增大，随着激励电压的增大而减小。改变调谐值，能明显的改变主共振、亚谐共振、超谐共振和参数共振振幅的大小，改变系统参数，系统的振幅和共振区的大小会发生改变并且在主共振响应曲线中能观察到“跳跃”和“滞后”现象。在电路线性系统中电流经过短暂的振动后达到稳定的状态。对于微梁的多模态系统，在2:1内共振研究中得到系统的固有频率不能满足2:1的条件；在3:1内共振研究中得到系统方程之间的耦合项不能满足发生3:1内共振的条件；在双重共振研究中，虽然系统的固有频率之间能够满足线性关系，但是系统方程之间的耦合不能满足恰当的耦合关系。对于RLC串联电路与微梁耦合系统，具有2:1内共振关系的耦合系统两个模态之间出现能量传递，并且能量从低模态向高模态完全转移，但这种情况很不稳定，微小的扰动就会使其失去平衡，改变系统的各项参数，其共振区和振幅的大小都会发生变化。在双重共振的情况下，改变了响应曲线的拓扑结构，改变系统的各项参数，其共振区和振幅的大小都会发生变化，由于内共振抑制1/3亚谐共振的发生，导致时间响应无限趋近稳态，对于1/2亚谐、3次超谐、2次超谐和主参数共振都具有同样的现象。正确建立非线性系统的数学模型是研究非线性问题的关键，对于机电耦联系统，机电分析动力学[2]是一种有效的力学工具，它从能量的观点出发，研究物体运动在电磁场中发生相互作用的规律，并作为统一的方法，用于建立力学问题与电路、电磁场问题相耦合的微分方程组。贾尚帅微电子机械系统非线性动力学研究朱二辉在其硕士学位论文微机械陀螺的动力学特性研究中，（1）建立微机械振动式陀螺的动力学方程，分析动力学方程中的刚度系数以及阻尼系数。（2）微机械振动式陀螺中静电力的作用：给出梳状静电驱动器的驱动力大小计算公式，分析静电的负刚度效应、静电负阻尼效应和静电吸和现象。（3）进行静电驱动电容检测微机械振动式陀螺的动力学特性分析：根据拉哥郎日方程建立微机械陀螺的动力学方程，分析其动力学特性，给出其灵敏度及其线性度的计算公式，考虑谐波角速度输入时其带宽特性。并对不同频率匹配下的带宽特性进行模拟。（4）微机械陀螺中的主要误差及噪声分析：根据微机械振动式陀螺的动力学方程，分析微机械振动式陀螺的误差及噪声特性，并分析残余应力对微机械振动式陀螺的性能影响。（5）微机械振动式陀螺的有限元模拟：用ANSYS对微机械振动式陀螺进行了模拟，并分析其主要几何尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配，优化其结构尺寸。粘滞空气阻尼是MEMS微结构能量耗散主要机制。微机械陀螺中结构遇到的空气阻尼包括压膜阻尼和滑膜阻尼。详细介绍了两种阻尼的工作原理与计算公式。从能量梯度来计算静电力介绍了残余应力的来源、计算以及对微机械陀螺动力学特性的影响。朱二辉微机械陀螺的动力学特性研究

第二部分微机械机构图一、微加速度计高过载电容式微加速度计压阻式微加速度计以上图来自于徐小丽的硕士学位论文《高过载条件下微型加速度计的动态分析》二、根据工艺可行性分析的结果，推拉电极材料选择金属Au，扭转板结构材料选择硅Si(本设计开关实际结构层材料是对硅进行了浓硼扩散而成的，能够导电，这里只是对结构的微机电性能进行分析，所以可以近似的取硅的材料参数。)，绝缘层选用Si3N4。串联悬臂梁开关：施加在梁和底电极之间的静电场将驱动开关，也就是说，梁、栅之间的静电吸引力将使梁向下偏转，在漏、源信号间生成微波通路。但是如果漏、源信号线间电压太大，将会引起开关的感应闭合，这是因为太大的漏、源电压在梁和漏端之间感应出静电力，这个静电力将向下拉伸梁，是开关闭合而忽略栅、源之间的电势。因此太大的信号电流或信号电压将会使开关失效。在串联悬梁开关中，悬梁是微波信号通路的一部分。并联悬梁臂开关：在并联悬臂梁开关中，悬臂梁的一端被固定，另一端的下面淀积有金属层一用来断开胺通微波信号线，悬臂梁的上面覆盖有金属层一构成电容器的上电极。当上、下极板间外加控制电压时，极板间产生的静电力使悬臂梁变形;当控制电压大于阀值电压时，金属层接通信号线。并联悬臂梁开关和串联悬臂梁开关的最大区别是:在并联悬臂梁开关中，悬臂梁上不通过微波信号，悬臂梁不构成微波电路的一部分。电容性膜开关：1996年，Gofdsmith提出膜结构开关，通过在信号线和金属膜之间覆盖一层绝缘膜，最大限度减少静摩擦力的影响且消除了微连接，提高了开关的稳定性能和电性能。金属膜是直接做在共平面波导(CPW)上的。开关利用金属膜一绝缘层一共平面波导实现微波信号传输。当无直流控制电压时，开关是导通的，金属膜没有变形。由于金属膜和信号限制间距相当大，两者之间的祸合电容就很小，微波信号以极低的插入损耗通过开关;当上、下极板间施加直流电压时，静电吸引力使膜向下偏移。当直流电压超过开关的阀值电压，金属膜就和信号线上的绝缘层相接触，两者之间的祸合电容变得比较大，使微波信号几乎全反射。这样传输到射频输出端的微波信号变得很小，开关处于断开状态。膜开关属于电容接触式开关。扭转臂杠杆式开关：推拉(push一Pull)结构可以有效的减小激励电压。信号线是微带传输线，开关工作原理为：Push电极施加电压的时候，杠杆上抬，通过杠杆的原理能有效的增大接触电极间的距离，开关处于开态；Pull电极施加电压的时候，静电力的作用下，杠杆下拉，接触膜接通信号线，开关处于导通状态，通过这种结构，我们可以减小接触电极间的初始高度来降低激励电压而且保持比较好的隔离度。谢兴军静电驱动MEMS微波开关设计与仿真三、朱二辉微机械陀螺的动力学特性研究四、上图所示为一典型的梳齿式加速度计的结构示意图。器件的可动部分包根振动梁，中间质量块和一组可动梳齿电极。振动梁通过四个锚点固定在玻底上。两组固定梳齿电极键合在玻璃衬底上，分别与可动梳齿电极构成两组差分电容。固定电极Ⅰ直接通过单晶硅连线条实现电极互连，固定电极Ⅱ通先设置在底部的铝电极连线互连，在铝连线与固定电极Ⅰ交叠部分以SiO2缘层。设器件驱动质量（中间质量块与所有可动梳齿电极质量之和）为M，件感受到一平行于器件平面，并与振动梁垂直的加速度a时，在惯性力Ma下，振动梁发生沿加速度方向的挠曲，带动可动电极梳齿产生位移，从而使第二章静电梳齿结构1差分电容间隙发生变化，检测出对应的电容变化，就可以知道器件感受的加速度曹炎微机械中静电梳齿结构的静动力学研究郭秋芬微型梳状线振动陀螺仪特性及干扰因素影响的研究

三微机械的今后研究方向（1）微机械的阻尼机制已研究：微尺度下MEMS压膜阻尼特性分析（滑流效应、挤压效应、穿孔效应）（2）各类参数相互耦合的强非线性微分方程的定性定量分析（3）尺度引起的稳定性问题（4）非线性动力学分析。MEMS中的非线性主要源于微机构、微驱动器(如静电电机)，例如柔性铰产生的几何大变形、摩擦等。目前，对非线性问题的研究主要采用ANSYS软件进行非线性有限元建模和瞬态响应数值模拟。几乎未从非线性动力学的高度来研究非线性振动、动力稳定性等问题。随着微机构和微驱动器实用化，转速高达100000r/min的微马达将投入使用，高速旋转机械和机构的动力学问题必将引起关注。已研究：静电驱动MEMS耦合非线性动力特性分析（吸合效应、静电刚度软化效应、分岔与混沌特性分析）；压电驱动MEMS微悬臂梁振动控制。（5）微转子系统摩擦磨损特性研究；微转子-固定轴承接触问题研究；微转子系统碰磨动力特性分析；微转子系统动力润滑特性分析；微旋转机械可靠性评估与研究。1、硕士（1）葛金生MEMS微结构动力学特性研究以微电子机械系统中常用的传感结构一微悬臂梁为研究对象，在考虑尺度效应和空气粘性的情况下，以牛顿理论为基础，通过应变梯度理论和哈密顿变分原理建立微悬臂梁的动力学方程，在对空气阻尼进行简化的基础上，给出其封闭解。使用matlab语言编制仿真程序，对微悬臂梁的谐振频率及其影响因素，包括尺度效应进行了分析，为MEMS的设计理论提供一定的参考依据。以下几个方面还可以做更深入的研究：(l)本文所得到的解的形式是以欧拉一伯努力梁为基础推导的，具有一定的局限性。如果考虑到剪力的影响，可以对微梁的动力学特性做更深一步的精确分析。(2)本文仅仅考虑了一个方向上的主要振动，而忽略了另外两个方向上的振动，如果全面考虑三个方向上振动的情况，那么论文的水平将提升一个档次。(3)本文所使用的空气阻尼模型有误差，精确的空气阻尼可以通过数值求解Navier一Stokes方程来获得。(4)本文仅仅考虑了自由流动的空气阻尼情况，而事实上，微梁在振动时，还可能受到如压膜阻尼等以外的阻尼、内部摩擦和支撑损耗的阻尼。所以，全面考虑上述阻尼的动力学分析有待进一步研究（2）2、博士（1）李伟剑西北工业大学微机电系统的多域耦合分析与多学科设计优化以下几个方面还可以做更深入的研究：(l)论文针对柔性MEMS器件的多域耦合问题提出两种基于宏建模技术的方法，可以进一步研究具有强非线性、有阻尼柔性MEMS器件多域藕合问题。强非线性、多域耦合MEMS器件的分析是正逐渐成为MEMS建模与仿真领域研究热点，已有研究人员将许多非线性控制中分岔等理论应用到MEMS器件的分析中，今后若将基础研究领域(振动、控制、数值计算)的先进成果与MEMS相结合，势必会发挥重要作用。(2)论文仅分析了基于体硅工艺厚结构MEMS器件的压膜阻尼问题，可以进一步推广到基于表面工艺的结构中。另外可更深入地研究含阻尼孔结构的压膜阻尼问题，如孔的尺寸、形状、面积对压膜阻尼的影响，并进行压膜阻尼的优化设计，例如在满足结构电容最大时，如何优化使得压膜阻尼效应最小。(3)论文中提出的多学科优化模型包括结构、电、流体阻尼、误差等，随着对各子系统的深入研究，可以考虑更多的学科因素，例如反馈控制、噪声等，在此基础上对微机电系统的综合性能进行系统优化。（2）孔胜利微梁力学性能尺寸效应的研究微机械一般是处于多物理场祸合环境下，因此对微构件在多物理场祸合环境下力学性能的变化规律进行（3）张文明微机电系统（MEMS）动力学特性研究成分考虑压膜阻尼效应的影响，研究静电驱动MEMS在各种参数激励作用下的非线性动力学与稳定性问题，探讨静电驱动MEMS在组合共振情况下的混沌控制，以期提高系统能量，增强MEMS谐振器的功能。对比研究不同操作模式原子力显微镜（AFM）探针系统中针尖-样品之间的力场分布、系统响应和非线性动力学行为，进一步提高对AFM针尖-样品系统操作性能的认识。微机电系统动力学近年来，微机电系统(microelectro-mechanicalsystem,MEMS)正走出实验室，成为21世纪初的新兴产业。仅从国防科技工业领域看，MEMS技术将用于各种微型武器系统，形成具有新的竞争力的“智能军火”。西方发达国家正在积极研制用于军事目的的微型航空器、重量在1kg级、甚至0.1kg级的纳米卫星等。而它们的实现必须借助各种微发动机、微惯导仪器、微传感器、微执行机构。与传统机械和结构相比，MEMS的研制过程更具有设计与制造一体化的特征。目前，对MEMS的设计多还在器件水平。除了少数二维器件的设计外，多数设计借助于ANSYS等商品化软件进行试凑；除了一些微加速度计的设计外，多数设计尚属于结构静强度或机构运动学范畴。可以预见，随着MEMS的实用化，其动力学问题将日益引起人们的关注。例如，对于微发动机中的运动部件、微惯导仪器，必须从动力学角度去进行分析和设计。微机电系统动力学方面的研究国内外均起步不久，以下是若干值得注意的问题：

(1)多学科耦合的大规模动力学模拟。许多MEMS包括了固体、流体、热传导、电磁、静电等相互作用。例如，在微米尺度的流速计中，集成了限流元件、压力传感器、放大电路等。对其进行动力学模拟需要使用含计算流体力学模块的ANSYS有限元软件包FOLTRAN和电网络模拟软件HSPICE，联合解决多学科耦合的MEMS仿真与设计。仅从流体力学看，又可能包括自由表面和表面张力、非牛顿黏性流、非均匀多相流、悬浮流体、表面吸收和催化作用、混合、多介质传导、热传导和辐射等。因此，需要有适应各种学科和各种方程的网格生成技术及动力学求解器.由于对MEMS精细建模的需要，上述多学科耦合的数值模拟规模非常大。目前，MEMS的动力学研究中，处理10,000个自由度的线性问题已属常规，但更大规模的多学科耦合数值模拟还有许多困难。

(2)尺度效应分析。目前，对MEMS器件的尺度效应研究主要针对强度、摩擦与润滑等问题，很少针对动力学问题。已有实验表明，对于基于共振或滤波原理的微传感器，其工作频率范围达kHz或GHz,会产生由于尺度引起的稳定性问题。随着尺度缩小，对于宏观器件可忽略的失稳变得突出。当器件尺度很小时，温度、驱动功率、Brown运动、Johnson噪声、光子、电子、吸收分子的波动等都影响噪声特性，有可能限制超微传感器的应用.这些都是MEMS发展中需要认真解决的动力学问题。

(3)非线性动力学分析。MEMS中的非线性主要源于微机构、微驱动器(如静电电机)，例如柔性铰产生的几何大变形、摩擦等。目前，对非线性问题的研究主要采用ANSYS软件进行非线性有限元建模和瞬态响应数值模拟。几乎未从非线性动力学的高度来研究非线性振动、动力稳定性等问题。随着微机构和微驱动器实用化，转速高达100000r/min的微马达将投入使用，高速旋转机械和机构的动力学问题必将引起关注。

(4)纳米机械的动力学模拟。当MEMS中器件的尺度小到纳米量级时，基于连续介质力学理论的建模方法将失效。目前，对纳米机械的设计尚处于探索阶段，例如采用分子动力学模拟方法研究纳米齿轮的可行性。该方法引入了许多假设，从而有一系列局限性，如不能计入量子效应，计算规模还只能到上万个粒子，难以对具有支链和环状结构的柔性分子进行模拟等。因此，有必要研究介于量子力学和连续介质力学之间的动力学，使之能用于纳米器件的动态模拟和设计。

4与发达国家研究水平的对比

近年来，我国学者在动力学、振动与控制的理论和方法研究方面取得了许多新进展，缩小了与国外先进研究水平的差距。例如，在分析动力学、多柔体动力学、非线性动力学、分岔和混沌动力学分析、非线性随机振动、非线性转子动力学、非线性时滞系统动力学、振动主动控制等方面，我国学者的研究与国外同行日趋同步，在SCI源期刊上发表了一批高水平的论文，出版了多部学术著作，部分研究工作具有鲜明的特色。在动力学、振动与控制的应用研究方面，结合航天器、大型机械设备的设计、状态监测与故障诊断等开展了许多研究工作，解决了若干工程问题。与发达国家相比，我国在动力学、振动与控制方面的研究存在以下不足：

(1)较少涉足全新的领域，如在微机电系统、纳米元器件等新技术相关的动力学研究方面基本处于空白。因此，原创性研究少，不少项目以跟踪性研究为主，有些项目甚至与国外已有研究相重复。

(2)大部分项目以理论和方法研究为主，以通过简单算例验证而告终，没有形成工程化软件。因此，在大型转子系统动力学、车辆动力学等涉及真实工程系统的动力学分析和设计方面，我国学者提出的方法未能得到应用，缺少具有自主版权的大型工程化软件。

(3)研究力量比较分散，除了作为重大项目资助的非线性转子动力学研究以外，没有多少团队层面上的研究计划。

产生上述问题的主要原因有三。一是国家的工业基础比较薄弱，工业界自身的研究与发展能力弱，提出的原始问题少。二是现有研究经费主要来自政府的各类基金，强度比较低，难以支持开发工程化软件，也难以吸引优秀的研究生和青年学者投身于动力学、振动与控制研究。三是国家和各单位的现有科技评估政策比较有利于短期行为和单兵作战。周老师点评：1）目前的不管是传感器还是其他的微机电系统，梁是其典型构件，关于梁的研究很多，比如：梁侵入液体中、梁的不同驱动方式等，但关于复合梁、多梁的研究较少。存在的问题主要有：梁的阵列问题（梁的阵列是否可以等效成单梁，已有的研究证明不能，因为互相之间有影响，那么它们的影响是什么，存在什么样的关系？）；复合梁（如硅上镀层）的动力学问题；用于生物传感器中的梁的质量吸附（质量分布）问题，质量分布影响质量与刚度。2）目前有研究表明板的动力学特性要好于梁的，是否所有特性都比梁的好，可以做深入的比较。

第四部分英文资料整理[1]D.Ramos,J.Tamayo,J.Mertens,andM.Calleja.Originoftheresponseofanomechanicalesonatorstobacteriaadsorption[J].JournalofAppliedPhysics,2006,100(10):106105-106105-3基于微型悬臂梁结构的谐振器被作为灵敏的质量传感器广泛应用于生物检测技术中，本文设计并进行了一端夹持的微悬臂梁的细菌吸附试验，通过试验我们证明了附加质量不是这些传感器响应的仅有的甚至不是主要来源，实验显示谐振频率的变化很大的依赖于梁上所吸附细菌的分布。以欧拉-伯努利梁为研究对象，证明了用于细菌吸附的纳米机械谐振器的响应即取决于附加质量又取决于细菌细胞的硬度。根据细胞的分布位置，不同的影响所起的作用不一样，两种影响可以被分开。靠近梁的自由端，附加质量起主导作用，而在梁的夹持端，柔性刚度的增加起主导作用。检测灵敏度大约是0.1Hz/细菌，通过使用更高级的振动模态或减低悬臂梁的尺寸，灵敏度很容易提高至少一个数量级。此外，当谐振器的尺寸降低到纳米尺度时，吸附装置的机械特性将变得更重要。吸附于悬臂梁上的分子质量可以通过关系式来量化，该公式对于悬臂梁上吸附质量均匀分布的情况适用，然而已经证明，对于悬臂梁上吸附质量分布不连续的情况，吸附质量的位置很大的影响了频率的变化。试验设计：首先，测量出浸泡在浓度为109细胞/毫升的大肠杆菌悬浮液中的悬臂梁的第一阶弯曲频率的变化，该悬臂梁的尺寸为500微米长，100微米宽，1微米厚。29个测量点的平均频率变化是-0.1%，但是各测量点的频率变化很大，有24%的测量点的第一阶弯曲频率升高而不是下降。为了解释这种现象，作者利用喷墨技术，将0.5纳升的细菌溶液喷射到悬臂梁（浸在纯净水中）的不同位置上-自由端、中间位置以及夹持端。通过悬臂梁在喷射前后的频率谱线，我们发现：细菌溶液喷射到自由端的悬臂梁，谐振频率下降4%；喷射到悬臂梁中间位置的，谐振频率基本没有变化；喷射到悬臂梁夹持端的，谐振频率升高3.6%。分子吸附引起的表面应力会影响谐振频率，然而，该影响并没有被完全的理解。建立了两种理论模型，第一种理论模型将表面应力简化为施加于悬臂梁上的轴向力，该模型显示每单位表面应力（N/m）会引起大约1%的谐振频率变化，我们测量了由于细菌吸附所引起的表面应力的变化，表面应力的变化是0.05-0.1N/m，这并不能充分的解释谐振频率的变化。第二种模型假定表面应力并不能引起谐振频率的变化，此时轴向力通过悬臂梁自由端的变形被释放。该模型中，谐振频率的变化必须考虑依赖于表面应力的诱导应变，诱导应变使得谐振频率的变化小于10ppm，小于实际观测到的谐振频率的变化几个数量级。为了解释该结果，我们建立了一个模型说明细菌吸附会增加悬臂梁的刚度，以欧拉-伯努利梁为研究对象，该梁每单位长度的质量和弯曲刚度都依赖于纵向位置，其振动微分方程为：u：悬臂梁的横迁移量；x：纵向坐标；t：时间；ρ:悬臂梁密度；S：横截面积；λ(x)：每单元长度的吸附质量；D(x)：悬臂梁的抗挠刚度。W：悬臂梁的宽度；T：悬臂梁厚度；E：杨氏模量；下标c和b分别表示悬臂梁和细菌。为了计算谐振频率，我们采用了雷利近似值（Rayleigh’sapproximation），该方法通过能量平衡和假定吸附分析后梁的形状未完全改变。每个振动周期的应变能和动能分别是：其中，L：悬臂梁长度；横向振动u(x,t)做（余弦）简谐振动。计算出的谐振频率为：应用上式估计了由于分子吸附所引起的质量和弯曲刚度的增加，第一阶谐振频率的变化。在建立模型时，吸附的细菌被当成一个直径是100um、包含4200个细胞的均匀一致的圆盘结构，细菌质量是665fg，生物层厚度是840nm，小于细菌的高度1um，以此来表示吸附细菌并不是浓密的排列的。为了模拟试验结果，杨氏模量选择1.3Gpa，所得值与利用原子力显微镜在干燥细菌下测得值基本吻合。表四显示了：计算的频率变化值随着吸附位置的变化（由于附加质量的增加、抗挠刚度的变化）曲线。表四包含了谐振频率变化的试验值（在表三中单独列出），理论值与试验值能够很好的吻合。由于分子吸附产生的附加质量会对谐振频率的变化产生一个负的影响——从夹持端的接近于0值变化到自由端的最大值；相对的，由于分子的吸附产生的抗挠刚度的增加会对谐振频率的增加产生一个正的影响——从自由端的接近于0值变化到夹持端的最大值。通过设置不同的吸附位置，谐振响应的变化会达到最大值。在悬臂梁的夹持端，由于硬度的变化，谐振频率的变化会达到正的最大值；在悬臂梁的自由端，由于吸附质量，谐振频率的变化会达到负的最大值。[2]JosephF.Vignola,JohnA.Effectofviscouslossonmechanicalresonatorsdesignedformassdetection[J].AppliedPhysicsLetters,2006,88(4):1-3本文介绍的是粘滞损失对用于质量检测的机械式谐振器设计的影响。为了估计机械式共振器的流体（气体或者液体）黏性阻尼载荷，而建立了简单的模型，该模型适用于梁的弯曲振动模态以及薄梁或板的纵向振动模态。对与之相关联的品质因数的预测值与宏观尺度和微观尺度的共振器的测得值进行了比较，讨论了振荡器的尺寸与黏性损失的比例关系。通过对几个振荡器的最低检出质量估计发现：纵向共振器有着最低检出质量。对所有的受黏性阻尼限制的谐振器而言，此最低检出质量与尺寸的1.75次方成正比，并且，在水中的黏性损失是在空气中的220倍。品质因数Q越大，振荡器对外界干扰（包括质量沉积）的灵敏度越高。当振荡器在水中或空气中工作时，由于黏性耗散，Q值会明显降低。当共振器在液体环境中工作时，Q值既受附着的弹性能量辐射的控制，又受与周围流体介质相关的三个耗散机制（声音、挤压膜和黏性损失）的控制。我们认为，对处于空气中的音叉式共振器，黏性损失是最主要的损失；然而，对于圆盘式共振器，附着损失是最主要的。综上所述，对所有的受黏性阻尼限制的谐振器而言，此最低检出质量与尺寸的1.75次方成正比，这暗示了进一步的小型化对质量检测灵敏度是有利的。通过利用平稳的结构减轻附着损失以及利用纵向共振器结构减低阻尼损失增加机械能的存储，可以使灵敏度最大化。利用质量传感器的输出频率变化来检测化学或生物试剂已经研究了许多年，其工作原理是：当质量吸附于振荡器检测部位的表面时，观察机械振荡器输出频率的变化。振荡器的检测表面可以选择性的吸附（化学吸附或者物理吸附）单一的生物分子或者化合物，以确保谐振频率的变化是由于目标分析物的吸附引起的。分辨率主要受设备的品质因数控制，品质因数Q越大，振荡器对外部干扰（包括质量吸附）的灵敏度越高。当振荡器在空气中或水中工作时，其品质因数Q由于粘滞损耗而显著降低。本文的目的是估计几种不同的振荡器在在不同的振动模态下的粘滞损失，以及识别质量检测的最优设计。共振器的粘滞损失已经研究了很多年，然而，大多数先前的研究针对的共振器是悬臂梁或两端夹持梁的弯曲振动模态。当前的研究对谐振器在纵向和弯曲模态下的震动进行比较，得到气、液载荷下的数据，并与估计值进行比较。许多机械振荡器的能量耗散是由于其自身结构，然而，当振荡器在流体环境中工作时，Q值既受附着的弹性能量辐射的控制，又受与周围流体介质相关的三个耗散机制（声音、挤压膜和黏性损失）的控制。因此，总的能量耗散是这些能量耗散的总和。[3]SudiptaBasak,ArvindRaman,SureshV.Garimella.Hydrodynamicloadingofmicrocantileversvibratinginviscousfluids[J].JournalofAppliedPhysics,2006,99(11):114906-114906-10.本文介绍的是微悬臂梁在黏性流体中振动时的水动力载荷。弹性微悬臂梁在黏性流体中振动时的水动力载荷通过利用一个三维的、流固耦合的有限元模型进行计算分析，品质因数与附加质量系数被准确的计算。本文详细分析了微悬臂梁的几何形状、高阶弯曲模态下的操作、方向以及与水平面的靠近程度对计算的影响。结果表明，在一个无限的媒介，微悬臂梁阻尼产生于微悬臂梁的边缘附近的流体剪切。然而，接近表面，阻尼产生是由于压膜效应和边缘附近的粘性剪切的组合。

（由于声辐射阻尼、结构的内阻尼、周围流体的黏性损失以及支撑损失，使得微悬臂梁的振动能量逐渐消失。）计算模型：本文中的所有数值计算都是使用基于ADINA（用于固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动分析的系统）的流体与结构耦合。微悬臂梁被进入一个三维的不可压缩的黏性液体中（符合N-S方程），N-S流体被一种潜在的三维流体所包围，该流体终止于无限边界的墙。基于ADINA的流体-结构耦合模型被分成了三个不同的领域：一是固体领域；二是黏性流体领域；三是无粘性的潜在流体领域。微悬臂梁在无限范围的粘性流体中的振动：流体中最大的剪应力发生在微悬臂梁所有棱的附近。对一个固体的矩形微悬臂梁，用于半解析模型中的最合适的尺寸是宽度；附加质量系数依赖于微悬臂梁的面积（或硬度）等。[4][4]VanEysden,CornelisA.;Sader,JohnE.Resonantfrequenciesofarectangularantileverbeamimmersedinafluid[J].JournalofAppliedPhysics,2006,100(11):114916-114916-8本文介绍的是侵入流体中的矩形悬臂梁的共振频率。悬臂梁的共振频率很大程度上取决于它所浸入的流体，在论文中，作者拓展了ElmerandDreier的方法，得出了侵入无粘性流体中的矩形悬臂梁的弯、扭共振频率的详细解析公式。结果直接适用于宏观几何形状的悬臂梁（黏性影响可以忽略），并且对任意模态都是合理的。[5]J.-HLee,Y.-D.Lauetal.Tuningthequalityfactorofmicrocantileverusingydrodynamiccouplingofmicrostructures[c].TRANSDUCERS2009-15thInternationalConferenceonSolid-StateSensors,ActuatorsandMicrosystems:704-707本文介绍的是利用微结构的流体力学耦合调整微悬臂梁的品质因数，证实了利用主动机械结构的流体力学耦合来控制微悬臂梁的品质因数。靠近微悬臂梁（工作梁）的主动微结构（辅助梁）通过产生水动力来改变工作梁的空气阻尼，于是，通过改变辅助梁引起的激励力的相位，工作梁的品质因数会增加或者降低。另外，工作梁的品质因数的调整范围可以通过改变激励力的大小与两梁之间的距离来改变。在实际应用中，构建了磁力驱动的微悬臂梁阵列，测量