微機(jī)電系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述

基于Galerkin法分析微梁的動態(tài)響應(yīng)課題研究背景1.MEMS的概念MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem)的英文縮寫，是指將微結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)、致動技術(shù)和微電子控制技術(shù)集成于一體，形成同時具有“傳感－計(jì)算(控制)－執(zhí)行”功能的智能微型裝置或微型系統(tǒng)[1]。隨著技術(shù)的興起和發(fā)展，MEMS已成為繼微電子技術(shù)之后在微尺度研究領(lǐng)域中的又一次革命。MEMS通過力、電、磁等能量的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)自身的特有功能，涉及多種物理場的互相耦合，因此它是一個多能量域耦合作用的極其復(fù)雜的系統(tǒng)。2.MEMS的特點(diǎn)一般地說MEMS具有以下幾個非約束性的特征：（1）MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。尺寸在毫米到微米范圍之內(nèi)，區(qū)別于一般宏(Macro)，即傳統(tǒng)的、大于1cm尺度的“機(jī)械”，并非進(jìn)入物理上的微觀層次。（2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢?；?但不限于)硅微加工技術(shù)制造。（3）批量生產(chǎn)大大降低了MEMS產(chǎn)品成本。用硅微加工工藝在一片硅片上同時可制造出成百上千個微型機(jī)電裝置或完整的MEMS，批量生產(chǎn)使性能價(jià)格比比之傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度地提高。（4）集成化?？梢园巡煌δ堋⒉煌舾蟹较虻亩鄠€傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件集成在一起可制造成可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。3.MEMS的研究領(lǐng)域作為一門交叉學(xué)科，MEMS的研究和開發(fā)更是為了在微觀領(lǐng)域探索新原理、開發(fā)新功能、制造新器件。由于MEMS具有體系小、重量輕、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，MEMS的研究領(lǐng)域不僅與微電子學(xué)密切相關(guān)，而且還廣泛涉及到機(jī)械、材料、光學(xué)、流體、化學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、自動控制、仿真學(xué)等學(xué)科，技術(shù)影響遍及包括各種傳感器件、醫(yī)療、生物芯片、通信、機(jī)器人、能源、武器、航空航天等領(lǐng)域[2-5]，所以MEMS技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)。MEMS的研究包括理論基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用與開發(fā)研究。MEMS理論基礎(chǔ)研究主要包括由于尺寸的微小型化、結(jié)構(gòu)材料以及加工方法的不同帶來的一些新的理論問題。結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)和微小型化理論，如:力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理、熱傳導(dǎo)、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件材料性能等等。尺寸減小到一定程度，有些宏觀物理量甚至要重新定義，隨著尺寸減小，需要進(jìn)一步研究微結(jié)構(gòu)力學(xué)、微動力學(xué)、微液體力學(xué)、微磨擦學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)和微生物學(xué)等。4.MEMS的應(yīng)用微型儀器是MEMS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，是MEMS技術(shù)與微電子技術(shù)綜合集成成果之一，它具有一般MEMS系統(tǒng)特有的優(yōu)點(diǎn)和性能，更為主要的是大大提高了儀器的功能密度和性能價(jià)格比。根據(jù)MEMS的特征尺寸和受力特點(diǎn)，可以將其簡化為一些簡單的結(jié)構(gòu)形式，微梁就是一種在MEMS中得到廣泛應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)。在MEMS中，微梁是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其動力學(xué)特性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。微致動器、微傳感器等微型儀器器件設(shè)計(jì)中常采用各種微梁結(jié)構(gòu)，如微加速度傳感器、插齒電容諧振器、插齒電容致動器等。目前，由于微尺度領(lǐng)域材料的力學(xué)性能存在尺度效應(yīng)，使得微梁的動力學(xué)性態(tài)較傳統(tǒng)的大尺寸柔性梁的動力學(xué)性態(tài)呈現(xiàn)明顯的不同。微尺度實(shí)驗(yàn)證實(shí)微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能存在尺寸效應(yīng)，傳統(tǒng)力學(xué)理論的本構(gòu)關(guān)系中不包含任何與尺度相關(guān)的參數(shù)，不能夠描述和解釋力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。而且微型器件在工作中存在著電場力與結(jié)構(gòu)變形的機(jī)電耦合問題，該問題是導(dǎo)致目前微機(jī)械產(chǎn)品易出現(xiàn)穩(wěn)定性差、可靠性低、次品率高的原因之一。因此，研究機(jī)電耦合微梁結(jié)構(gòu)對于推動MEMS的發(fā)展具有重要意義[6-9]。二、課題研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)80年代起，MEMS就引起了世界各國科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門的高度重視，成為發(fā)達(dá)國家高科技發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。目前，國外己研制成的MEMS/微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件有閥門、彈簧、噴嘴、臂梁、齒輪，連接器、散熱器、馬達(dá)及各種傳感器(如加速度表、陀螺、微型慣性測量組合等)。硅微壓力傳感器、微加速計(jì)和微閥等已成為商品，具有和傳統(tǒng)產(chǎn)品競爭的能力。美國、德國和日本在MEMS研究方面已取得市場效益，主要以加速度傳感器、慣性測量器件、微流體系統(tǒng)為主導(dǎo)產(chǎn)品[10-14]。東南亞地區(qū)如新加坡、韓國在MEMS研究中也取得一些成果。我國的MEMS研究始于20世紀(jì)90年代，主要從事微機(jī)械動力學(xué)等基礎(chǔ)理論的研究，并在微電機(jī)、微馬達(dá)、微慣性測量等方面取得了階段性的成果。國家自然科學(xué)基金、“863”計(jì)劃等對MEMS研究都給予了充分的重視和資助[15-18]。國外研究現(xiàn)狀[19]（1）美國美國對MEMS的研究多直接列入國防研制計(jì)劃。1994年發(fā)布的《美國國防部技術(shù)計(jì)劃》報(bào)告，把MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。美國國防部高級研究計(jì)劃局積極領(lǐng)導(dǎo)和支持MEMS的研究和其軍事應(yīng)用，現(xiàn)已建造一條MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝線以促進(jìn)新型元件／裝置的研究與開發(fā)。美國宇航局投資1億美元著手研制“發(fā)現(xiàn)號微型衛(wèi)星”。美國工業(yè)界主要致力于壓力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變儀和加速度表等傳感器有關(guān)領(lǐng)域的研究。美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計(jì)把微型傳感器(機(jī)械部分)和集成電路(電信號源、放大器、信號處理和正檢正電路等)一起集成在硅片上的范圍內(nèi)。美國國家科學(xué)基金會把MEMS作為一個新崛起的研究領(lǐng)域并制定了資助微型電子機(jī)械系統(tǒng)的研究的計(jì)劃，從1998年開始，資助MIT、加州大學(xué)等8所大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室從事這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)，年資助額從100萬美元、200萬美元加到1993年的500萬美元。加州大學(xué)伯克利傳感器和執(zhí)行器中心(BSAC)得到國防部和十幾家公司資助1500萬美元后，建立了研究開發(fā)MEMS的超凈實(shí)驗(yàn)室。加州理工學(xué)院在飛機(jī)翼面粘上相當(dāng)數(shù)量的Imm的微梁，控制其彎曲角度以影響飛機(jī)的空氣動力學(xué)特性。（2）日本日本對MEMS的研究以開發(fā)微型機(jī)器人為目標(biāo)，首期研發(fā)了醫(yī)療和核工業(yè)應(yīng)用中的微型機(jī)器人，并于1991年成立了微機(jī)電系統(tǒng)研究中心。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床可加工精度達(dá)的微細(xì)軸。日本通產(chǎn)省1991年開始啟動一項(xiàng)為期10年、耗資250億日元的微型機(jī)械大型研究計(jì)劃，研制兩臺樣機(jī)。一臺用于醫(yī)療，進(jìn)人人體進(jìn)行診斷和微型手術(shù)；另一臺用于工業(yè)，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)和原子能設(shè)備的微小裂紋實(shí)施維修。該計(jì)劃有筑波大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、早稻田大學(xué)和富士通研究所等幾十家單位參加。（3）德國德國的MEMS研究更側(cè)重于微機(jī)械加工技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了多種具有前沿性的加工手段。德國自1988年開始微加工十年計(jì)劃項(xiàng)目，其科技部于1990--1993年撥款支持“微系統(tǒng)技術(shù)”研究，并把微系統(tǒng)列為本世紀(jì)初科技發(fā)展的重點(diǎn)。德國首創(chuàng)的LIGA(光刻電鑄)工藝，制成了懸壁梁、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及微型泵、微型噴嘴，濕度、流量傳感器以及多種光學(xué)器件，為MEMS的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段，并已成為三維結(jié)構(gòu)制作的優(yōu)選工藝。（4）其他國家法國1993年啟動的7000萬法郎的“微系統(tǒng)與技術(shù)”項(xiàng)目。瑞士在其傳統(tǒng)的鐘表制造業(yè)和小型精密機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)上也投入了MEMS的開發(fā)工作，1992年投資為1000萬美元。英國政府也制訂了納米科學(xué)計(jì)劃，在機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域列出8個項(xiàng)目進(jìn)行研究與開發(fā)。歐共體也組成了多功能微系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(NetworkofExcellenceinMultifunctional，簡稱NEXUS），聯(lián)合協(xié)調(diào)46個研究所的研究。為了加強(qiáng)歐洲開發(fā)MEMS的力量，一些歐洲公司已組成MENS開發(fā)集團(tuán)，相繼對微型系統(tǒng)的研究開發(fā)進(jìn)行了重點(diǎn)投資。目前已有大量的微型機(jī)械或微型系統(tǒng)被研究出來，例如：尖端直徑為5斗m的微型鑷子可以夾起一個紅血球。尺寸為的微型泵流量可達(dá)，能開動大小的汽車。還有在磁場中飛行的機(jī)器蝴蝶，以及集微型速度計(jì)、微型陀螺和信號處理系統(tǒng)為一體的微型慣性組合(MIMU)。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀[20]與國外相比，國內(nèi)在這方面的研究起步晚，但是在研究方法和成果上來看，并不比國外的研究遜色，國內(nèi)的研究方法也應(yīng)經(jīng)日趨成熟，研究成果也可謂碩果累累。在“八五”、“九五”期間得到國家科技部、教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和原國防科工委的支持。1995年國家科技部實(shí)施了攀登計(jì)劃“微電子機(jī)械系統(tǒng)項(xiàng)目”(1995一1999年)。1999年“集成微光機(jī)電系統(tǒng)研究”項(xiàng)目通過了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究規(guī)劃的立項(xiàng)建議。目前在我國己有40多個單位的50多個研究小組，取得了一些研究成果。廣東工業(yè)大學(xué)與日本筑波大學(xué)合作，開展了生物和醫(yī)用微型機(jī)器人的研究，已研制出一維、二維聯(lián)動壓電陶瓷驅(qū)動器，其位移范圍為10杠mxlop．m；位移分辨率為0．01p．m，精度為0．1Ixm，正在研制6自由度微型機(jī)器人；長春光學(xué)精密機(jī)器研究所研制出直徑為3mm的壓電電機(jī)、電磁電機(jī)、微測試儀器和微操作系統(tǒng)。上海冶金研究所研制出了微電機(jī)、多晶硅梁結(jié)構(gòu)、微泵與閥。上海交通大學(xué)研制出Op2mm的電磁電機(jī)，南開大學(xué)開展了微型機(jī)器人控制技術(shù)的研究等。我國有很多機(jī)構(gòu)對多種微型機(jī)械加工的方法也開展了相應(yīng)的研究，已奠定了一定的加工基礎(chǔ)，能進(jìn)行硅平面加工和體硅加工、LIGA加工、微細(xì)電火花加工及立體光刻造型法加工等?，F(xiàn)有的微電子設(shè)備和同步加速器為微系統(tǒng)提供了基本條件，微型驅(qū)動器和微型機(jī)器人的開發(fā)早已列入國家863高技術(shù)計(jì)劃及攀登計(jì)劃B中。在新原理微器件、通用微器件、新的工藝和測試技術(shù)以及初步應(yīng)用等方面我國也取得了顯著的進(jìn)展，已開展了包括微型直升機(jī)、力平衡加速度傳感器、力平衡真空傳感器、微泵、微噴嘴、微馬達(dá)、微電泳芯片、微流量計(jì)、硅電容式麥克風(fēng)、分裂漏磁場傳感器、集成壓力傳感器、微諧振器和微陀螺等許多微機(jī)械器件的研究和開發(fā)工作[21-23]。研究出的硅電容式微麥克風(fēng)是目前國際同類研究中靈敏度最高的微麥克風(fēng)，并且在國際上首次研制出包括片上轉(zhuǎn)速檢測電路的集成硅微靜電馬達(dá)，同時分裂漏磁場傳感器、集成壓力傳感器、硅微靜電馬達(dá)工藝己取得三項(xiàng)美國專利。三、課題研究內(nèi)容本課題主要側(cè)重于MEMS動力學(xué)的研究。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)是研究機(jī)械在運(yùn)行過程中的受力情況以及在這些力作用下的運(yùn)動狀態(tài)的學(xué)科，是進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[24-25]。MEMS屬于精密儀器范疇，且多在動態(tài)下工作，其動態(tài)特性是影響其工作性能的重要因素，要求對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)，研究其動力學(xué)特性對于設(shè)計(jì)新的微機(jī)械裝置及更好地控制其工作特性有重要意義。主要完成以下工作：（1）熟悉等直梁自由振動的求解方法以及振型函數(shù)、固有頻率等概念；掌握梁的橫向振動的有關(guān)特性。（2）以施加電場力的變截面單微梁為具體研究對象，分析此機(jī)電耦合微梁系統(tǒng)的自由振動及其在簡諧激勵作用下的受迫振動規(guī)律，導(dǎo)出微梁單位長度上分布電場力。（3）建立電場力激勵下的變截面微梁系統(tǒng)的機(jī)電耦合動力學(xué)模型。再從微元體的平衡出發(fā)，利用達(dá)朗貝爾原理建立變截面微梁的機(jī)電耦合動力學(xué)方程。（4）選取位移函數(shù)的形式，采用Galerkin法進(jìn)行求解：=1\*GB3①計(jì)算變截面微梁在機(jī)電耦合力作用下的靜態(tài)位移；=2\*GB3②求解變截面微梁系統(tǒng)的振動模態(tài)函數(shù)及固有頻率，利用模態(tài)疊加法將系統(tǒng)振動響應(yīng)表示為各階模態(tài)的線性組合。（5）分析固定電極中的工作電壓、微梁與固定電極之間間隙、微梁厚度及長度以及變截面等主要參數(shù)對靜態(tài)位移、系統(tǒng)固有頻率和振型的影響。（6）利用Matlab軟件編寫計(jì)算程序，并對程序進(jìn)行調(diào)試與數(shù)值計(jì)算。四、課題研究方法迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對電場力激勵下的微梁動力學(xué)特性已經(jīng)做了大量的研究。在建立微梁的動力學(xué)模型時，大都采用有限元方法，但數(shù)量眾多的有限單元不僅給求解系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)帶來困難，而且也不便于定性分析。另一種方法是建立微梁的連續(xù)模型(偏微分方程及其相應(yīng)的邊界條件），利用線性部分的模態(tài)將其離散化，再采用Galerkin法將系統(tǒng)降維。五、參考文獻(xiàn)[1]江萬權(quán),朱春玲,陳祖耀,等.微米級高聚物包埋型金屬鐵復(fù)合粒子的球磨法制備及其磁流變效應(yīng)[J].化學(xué)物理學(xué)報(bào),2001,14(5):543-47.[2]史鐵林,鐘飛,何濤.微機(jī)電系統(tǒng)及其應(yīng)用.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(5):1-2[3]高世橋,曲大成.微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的研究與應(yīng)用.科技導(dǎo)報(bào),2004,(4):17-20[4]魏強(qiáng).微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)及其應(yīng)用.泰安師專學(xué)報(bào),2002,24(6):56-58[5]孫永杰.面向二十一世紀(jì)的微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù).中國青年科技,2006:28-37[6]丁衡高,袁祖武.微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用——微型儀器.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(1):90-94[7]王洪喜,賈建援,樊康旗.靜電力作用下微梁變形分析與計(jì)算.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,24(4):420-422[8]王洪喜,賈建援,樊康旗.求解靜電驅(qū)動微梁變形的數(shù)值與解析方法.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2005,21(2):35-38[9]Eddy,D.S.,Sparks,D.R.ApplicationofMEMSTechnologyinAutomotiveSensorsandActuators.ProceedingsoftheIEEE,Volume86,Issue8,Aug.1998:1747-1755[10]丁衡云.微型機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用——微型儀器.測控技術(shù),1999,(1):2-4[11]溫詩鑄.關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)研究.中國機(jī)械工程,2003,14(2):159-163[12]張西慧,梁春廣.微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(5):104-109[13]喬希竹.MEMS市場需求及應(yīng)用前景.世界產(chǎn)品與技術(shù),2003,1:49-50[14]RisticL,ShahM.TrendsinMEMSTechnology.WESCON/9622-24Oct.1996:64-72[15]石庚辰.微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,2002:2-3[16]溫詩鑄,丁建寧.微型機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2000,36(7):39-42[17]閆利文.微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究.機(jī)械工程師,2003,7:6-9[18]黃志奇，杜平安，盧涼.微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)的現(xiàn)狀研究.機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20(11):4-6[19]朱賽彬.微型機(jī)械加工技術(shù)