MEMS/NEMS諧振器技術

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 諧振器概況 1
1.1.1 諧振現(xiàn)象 1
1.1.2 基本特征與分類 2
1.2 MEMS/NEMS技術概述 3
1.2.1 MEMS技術 4
1.2.2 NEMS技術 8
1.3 MEMS/NEMS諧振器技術發(fā)展歷程 10
1.3.1 MEMS諧振器技術 11
1.3.2 NEMS諧振器技術 13
1.3.3 NEMS諧振器的量子極限 15
1.4 MEMS/NEMS諧振器技術基礎 16
1.4.1 結(jié)構(gòu)設計技術 16
1.4.2 微納加工技術 18
1.4.3 非線性現(xiàn)象與效應 18
1.4.4 耗散與阻尼機制 19
1.4.5 激勵與檢測技術 20
1.5 MEMS/NEMS諧振器技術應用及前景 20
1.5.1 智能傳感 21
1.5.2 信息通信 30
1.5.3 生物醫(yī)學 34
1.5.4 航空航天 36
1.5.5 量子技術 40
1.5.6 發(fā)展前景 41
參考文獻 44
第2章 諧振原理與結(jié)構(gòu)設計 52
2.1 概述 52
2.2 諧振原理 52
2.2.1 彎*振動 52
2.2.2 扭轉(zhuǎn)振動 55
2.2.3 縱向振動 56
2.2.4 機電模型 58
2.3 動力學設計與性能參數(shù) 59
2.3.1 諧振頻率 59
2.3.2 品質(zhì)因子 62
2.3.3 動態(tài)范圍 64
2.4 諧振結(jié)構(gòu)動力學設計與器件 69
2.4.1 梳齒結(jié)構(gòu) 70
2.4.2 梁式結(jié)構(gòu) 73
2.4.3 弦線結(jié)構(gòu) 79
2.4.4 薄板結(jié)構(gòu) 83
2.4.5 薄膜結(jié)構(gòu) 87
2.4.6 球殼結(jié)構(gòu) 92
2.4.7 扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 96
2.4.8 通道式諧振結(jié)構(gòu) 97
參考文獻 101
第3章 諧振器件材料與加工工藝 107
3.1 概述 107
3.2 硅基材料 107
3.2.1 單晶硅 108
3.2.2 多晶硅 108
3.2.3 無定形硅 109
3.3 硅化合物 110
3.3.1 二氧化硅 110
3.3.2 氮化硅 111
3.3.3 碳化硅 112
3.4 低維材料 113
3.4.1 碳納米管 113
3.4.2 納米線 117
3.4.3 石墨烯 118
3.4.4 二硫化鉬 121
3.5 壓電材料 124
3.5.1 機電耦合系數(shù) 125
3.5.2 氮化鋁薄膜 126
3.5.3 PZT壓電薄膜 127
3.5.4 氮化鎵 130
3.5.5 鈮酸鋰 132
3.6 聚合物材料 134
3.6.1 工藝材料 134
3.6.2 結(jié)構(gòu)材料 135
3.7 金剛石材料 137
參考文獻 139
第4章 非線性現(xiàn)象與動力學效應 144
4.1 概述 144
4.2 非線性因素 145
4.2.1 材料非線性 145
4.2.2 幾何非線性 146
4.2.3 驅(qū)動非線性 147
4.2.4 阻尼非線性 148
4.3 剛度硬化與軟化效應 148
4.4 雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象 151
4.5 吸合現(xiàn)象 152
4.5.1 靜電吸合效應 153
4.5.2 靜態(tài)吸合失穩(wěn) 155
4.5.3 動態(tài)吸合失穩(wěn) 156
4.6 對稱破缺現(xiàn)象 158
4.6.1 對稱破缺的力學模型 158
4.6.2 對稱破缺的作用機制 159
4.7 同步現(xiàn)象 160
4.7.1 耦合系統(tǒng)中的同步現(xiàn)象 161
4.7.2 同步效應的作用機制 162
4.8 隨機共振現(xiàn)象 164
4.8.1 隨機共振實驗觀測 164
4.8.2 隨機共振機理 165
4.9 非線性模態(tài)耦合效應 167
4.9.1 模態(tài)耦合形式 168
4.9.2 模態(tài)耦合形成的力學機理 171
4.9.3 振幅飽和現(xiàn)象 178
4.9.4 內(nèi)稟局域模 179
4.9.5 頻率梳 183
4.10 頻率穩(wěn)定性 187
4.10.1 頻率波動的原因 187
4.10.2 頻率穩(wěn)定性的作用機制 189
參考文獻 193
第5章 能量耗散機理與阻尼技術 199
5.1 概述 199
5.2 能量耗散的基本定義與表征 200
5.3 熱彈性阻尼 201
5.3.1 滯彈性的基本概念與Zener耗散模型 202
5.3.2 LR熱彈性阻尼模型 203
5.3.3 微尺度薄板熱彈性阻尼特性 209
5.4 聲波-熱聲子相互作用 220
5.4.1 Akhiezer阻尼 221
5.4.2 Landau-Rumer阻尼 223
5.5 聲子-電子相互作用 224
5.5.1 谷內(nèi)聲子-電子散射 224
5.5.2 谷間聲子-電子散射 224
5.6 耗散稀釋效應 225
5.6.1 弦的耗散稀釋 226
5.6.2 薄膜的耗散稀釋 228
5.7 空氣阻尼 230
5.7.1 滑膜氣體阻尼 231
5.7.2 壓膜氣體阻尼 236
5.7.3 稀薄空氣阻尼 244
5.8 液體黏滯阻尼 246
5.8.1 彎*振動 246
5.8.2 扭轉(zhuǎn)振動 248
5.9 錨點損耗機制與結(jié)構(gòu)設計 250
5.9.1 完美匹配層方法 251
5.9.2 彎*模態(tài)諧振器支撐損耗 253
5.9.3 體模態(tài)諧振器支撐損耗 261
5.10 聲子隧道效應 269
5.11 表面耗散 270
5.11.1 表面層 271
5.11.2 表面化學效應 273
5.11.3 界面耗散物理機制 276
5.11.4 連續(xù)介質(zhì)力學中的界面耗散 277
5.11.5 材料科學中的界面耗散 278
5.11.6 多層壓電體諧振器的能量損耗 279
5.12 兩能級系統(tǒng)引起的能量耗散 281
5.12.1 兩能級系統(tǒng)隧穿模型 281
5.12.2 兩能級系統(tǒng)引起的諧振器能量耗散 283
5.12.3 品質(zhì)因子測量 286
參考文獻 287
第6章 振動激勵與檢測原理及技術 294
6.1 概述 294
6.2 振動激勵原理與技術 294
6.2.1 靜電激勵 295
6.2.2 電磁激勵 299
6.2.3 壓電激勵 302
6.2.4 介電激勵 303
6.2.5 熱激勵 307
6.2.6 光梯度力激勵 313
6.3 振動檢測原理與技術 315
6.3.1 電容檢測 315
6.3.2 壓電檢測 317
6.3.3 壓阻檢測 318
6.3.4 磁勢檢測 321
6.3.5 激光干涉檢測 322
6.3.6 單電子器件檢測 323
6.3.7 耦合諧振子檢測 324
6.4 振動激勵-檢測組合技術 326
6.4.1 靜電激勵-電容檢測 327
6.4.2 靜電激勵-壓阻檢測 329
6.4.3 電磁激勵-壓阻檢測 330
6.4.4 電熱激勵-壓阻檢測 331
6.4.5 光熱激勵-光學檢測 333
6.5 外圍接口電路系統(tǒng) 333
6.5.1 開環(huán)檢測系統(tǒng) 334
6.5.2 閉環(huán)自激系統(tǒng) 335
參考文獻 336
第7章 通道式MEMS/NEMS諧振器動力學設計與檢測技術 340
7.1 概述 340
7.2 通道式MEMS/NEMS諧振器檢測原理 341
7.2.1 顆粒性質(zhì)檢測 341
7.2.2 流體性質(zhì)檢測 345
7.3 流固耦合動力學設計 348
7.3.1 流固耦合動力學模型 348
7.3.2 諧振頻率 356
7.3.3 能量耗散 358
7.4 動力學響應及穩(wěn)定性 360
7.4.1 動力學建模與求解 360
7.4.2 穩(wěn)定性分析 365
7.4.3 諧振頻率分析 368
7.4.4 動態(tài)響應特性 370
7.5 測量誤差產(chǎn)生機制與校正方法 372
7.5.1 質(zhì)量測量諧振器動力學模型 373
7.5.2 顆粒振動特性分析 375
7.5.3 測量誤差分析與校正 378
參考文獻 382
第8章 弱耦合諧振器設計及傳感技術 386
8.1 概述 386
8.2 模態(tài)局部化機理 386
8.3 弱耦合諧振器動力學設計 388
8.3.1 弱耦合諧振器動力學模型 388
8.3.2 多自由度弱耦合諧振器件 396
8.4 諧振傳感器動力學設計 401
8.4.1 傳感機理 401
8.4.2 參數(shù)設計與性能分析 403
8.4.3 靈敏度調(diào)節(jié) 406
8.5 諧振傳感器加工工藝與模態(tài)特性 408
8.5.1 器件加工工藝 408
8.5.2 器件模態(tài)特性 411
8.6 諧振傳感器性能 417
8.6.1 幅頻響應特性 418
8.6.2 傳感器靈敏度 420
8.6.3 傳感器分辨率 423
參考文獻 423
第9章 失效分析與可靠性技術 426
9.1 概述 426
9.2 失效模式與失效機理 426
9.2.1 斷裂失效 427
9.2.2 疲勞失效 429
9.2.3 黏附失效 432
9.2.4 分層失效 442
9.2.5 吸合損傷 444
9.2.6 輻射效應 444
9.3 測試結(jié)構(gòu)與壽命評估技術 446
9.3.1 疲勞測試技術 447
9.3.2 斷裂測試技術 451
9.4 環(huán)境載荷下器件可靠性 456
9.4.1 振動可靠性 457
9.4.2 沖擊可靠性 461
9.4.3 溫度可靠性 465
9.4.4 濕度可靠性 468
參考文獻 470