MEMS/NEMS谐振器技术

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 谐振器概况 1 1.1.1 谐振现象 1 1.1.2 基本特征与分类 2 1.2 MEMS/NEMS技术概述 3 1.2.1 MEMS技术 4 1.2.2 NEMS技术 8 1.3 MEMS/NEMS谐振器技术发展历程 10 1.3.1 MEMS谐振器技术 11 1.3.2 NEMS谐振器技术 13 1.3.3 NEMS谐振器的量子极限 15 1.4 MEMS/NEMS谐振器技术基础 16 1.4.1 结构设计技术 16 1.4.2 微纳加工技术 18 1.4.3 非线性现象与效应 18 1.4.4 耗散与阻尼机制 19 1.4.5 激励与检测技术 20 1.5 MEMS/NEMS谐振器技术应用及前景 20 1.5.1 智能传感 21 1.5.2 信息通信 30 1.5.3 生物医学 34 1.5.4 航空航天 36 1.5.5 量子技术 40 1.5.6 发展前景 41 参考文献 44 第2章 谐振原理与结构设计 52 2.1 概述 52 2.2 谐振原理 52 2.2.1 弯*振动 52 2.2.2 扭转振动 55 2.2.3 纵向振动 56 2.2.4 机电模型 58 2.3 动力学设计与性能参数 59 2.3.1 谐振频率 59 2.3.2 品质因子 62 2.3.3 动态范围 64 2.4 谐振结构动力学设计与器件 69 2.4.1 梳齿结构 70 2.4.2 梁式结构 73 2.4.3 弦线结构 79 2.4.4 薄板结构 83 2.4.5 薄膜结构 87 2.4.6 球壳结构 92 2.4.7 扭转结构 96 2.4.8 通道式谐振结构 97 参考文献 101 第3章 谐振器件材料与加工工艺 107 3.1 概述 107 3.2 硅基材料 107 3.2.1 单晶硅 108 3.2.2 多晶硅 108 3.2.3 无定形硅 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 低维材料 113 3.4.1 碳纳米管 113 3.4.2 纳米线 117 3.4.3 石墨烯 118 3.4.4 二硫化钼 121 3.5 压电材料 124 3.5.1 机电耦合系数 125 3.5.2 氮化铝薄膜 126 3.5.3 PZT压电薄膜 127 3.5.4 氮化镓 130 3.5.5 铌酸锂 132 3.6 聚合物材料 134 3.6.1 工艺材料 134 3.6.2 结构材料 135 3.7 金刚石材料 137 参考文献 139 第4章 非线性现象与动力学效应 144 4.1 概述 144 4.2 非线性因素 145 4.2.1 材料非线性 145 4.2.2 几何非线性 146 4.2.3 驱动非线性 147 4.2.4 阻尼非线性 148 4.3 刚度硬化与软化效应 148 4.4 双稳态现象 151 4.5 吸合现象 152 4.5.1 静电吸合效应 153 4.5.2 静态吸合失稳 155 4.5.3 动态吸合失稳 156 4.6 对称破缺现象 158 4.6.1 对称破缺的力学模型 158 4.6.2 对称破缺的作用机制 159 4.7 同步现象 160 4.7.1 耦合系统中的同步现象 161 4.7.2 同步效应的作用机制 162 4.8 随机共振现象 164 4.8.1 随机共振实验观测 164 4.8.2 随机共振机理 165 4.9 非线性模态耦合效应 167 4.9.1 模态耦合形式 168 4.9.2 模态耦合形成的力学机理 171 4.9.3 振幅饱和现象 178 4.9.4 内禀局域模 179 4.9.5 频率梳 183 4.10 频率稳定性 187 4.10.1 频率波动的原因 187 4.10.2 频率稳定性的作用机制 189 参考文献 193 第5章 能量耗散机理与阻尼技术 199 5.1 概述 199 5.2 能量耗散的基本定义与表征 200 5.3 热弹性阻尼 201 5.3.1 滞弹性的基本概念与Zener耗散模型 202 5.3.2 LR热弹性阻尼模型 203 5.3.3 微尺度薄板热弹性阻尼特性 209 5.4 声波-热声子相互作用 220 5.4.1 Akhiezer阻尼 221 5.4.2 Landau-Rumer阻尼 223 5.5 声子-电子相互作用 224 5.5.1 谷内声子-电子散射 224 5.5.2 谷间声子-电子散射 224 5.6 耗散稀释效应 225 5.6.1 弦的耗散稀释 226 5.6.2 薄膜的耗散稀释 228 5.7 空气阻尼 230 5.7.1 滑膜气体阻尼 231 5.7.2 压膜气体阻尼 236 5.7.3 稀薄空气阻尼 244 5.8 液体黏滞阻尼 246 5.8.1 弯*振动 246 5.8.2 扭转振动 248 5.9 锚点损耗机制与结构设计 250 5.9.1 完美匹配层方法 251 5.9.2 弯*模态谐振器支撑损耗 253 5.9.3 体模态谐振器支撑损耗 261 5.10 声子隧道效应 269 5.11 表面耗散 270 5.11.1 表面层 271 5.11.2 表面化学效应 273 5.11.3 界面耗散物理机制 276 5.11.4 连续介质力学中的界面耗散 277 5.11.5 材料科学中的界面耗散 278 5.11.6 多层压电体谐振器的能量损耗 279 5.12 两能级系统引起的能量耗散 281 5.12.1 两能级系统隧穿模型 281 5.12.2 两能级系统引起的谐振器能量耗散 283 5.12.3 品质因子测量 286 参考文献 287 第6章 振动激励与检测原理及技术 294 6.1 概述 294 6.2 振动激励原理与技术 294 6.2.1 静电激励 295 6.2.2 电磁激励 299 6.2.3 压电激励 302 6.2.4 介电激励 303 6.2.5 热激励 307 6.2.6 光梯度力激励 313 6.3 振动检测原理与技术 315 6.3.1 电容检测 315 6.3.2 压电检测 317 6.3.3 压阻检测 318 6.3.4 磁势检测 321 6.3.5 激光干涉检测 322 6.3.6 单电子器件检测 323 6.3.7 耦合谐振子检测 324 6.4 振动激励-检测组合技术 326 6.4.1 静电激励-电容检测 327 6.4.2 静电激励-压阻检测 329 6.4.3 电磁激励-压阻检测 330 6.4.4 电热激励-压阻检测 331 6.4.5 光热激励-光学检测 333 6.5 外围接口电路系统 333 6.5.1 开环检测系统 334 6.5.2 闭环自激系统 335 参考文献 336 第7章 通道式MEMS/NEMS谐振器动力学设计与检测技术 340 7.1 概述 340 7.2 通道式MEMS/NEMS谐振器检测原理 341 7.2.1 颗粒性质检测 341 7.2.2 流体性质检测 345 7.3 流固耦合动力学设计 348 7.3.1 流固耦合动力学模型 348 7.3.2 谐振频率 356 7.3.3 能量耗散 358 7.4 动力学响应及稳定性 360 7.4.1 动力学建模与求解 360 7.4.2 稳定性分析 365 7.4.3 谐振频率分析 368 7.4.4 动态响应特性 370 7.5 测量误差产生机制与校正方法 372 7.5.1 质量测量谐振器动力学模型 373 7.5.2 颗粒振动特性分析 375 7.5.3 测量误差分析与校正 378 参考文献 382 第8章 弱耦合谐振器设计及传感技术 386 8.1 概述 386 8.2 模态局部化机理 386 8.3 弱耦合谐振器动力学设计 388 8.3.1 弱耦合谐振器动力学模型 388 8.3.2 多自由度弱耦合谐振器件 396 8.4 谐振传感器动力学设计 401 8.4.1 传感机理 401 8.4.2 参数设计与性能分析 403 8.4.3 灵敏度调节 406 8.5 谐振传感器加工工艺与模态特性 408 8.5.1 器件加工工艺 408 8.5.2 器件模态特性 411 8.6 谐振传感器性能 417 8.6.1 幅频响应特性 418 8.6.2 传感器灵敏度 420 8.6.3 传感器分辨率 423 参考文献 423 第9章 失效分析与可靠性技术 426 9.1 概述 426 9.2 失效模式与失效机理 426 9.2.1 断裂失效 427 9.2.2 疲劳失效 429 9.2.3 黏附失效 432 9.2.4 分层失效 442 9.2.5 吸合损伤 444 9.2.6 辐射效应 444 9.3 测试结构与寿命评估技术 446 9.3.1 疲劳测试技术 447 9.3.2 断裂测试技术 451 9.4 环境载荷下器件可靠性 456 9.4.1 振动可靠性 457 9.4.2 冲击可靠性 461 9.4.3 温度可靠性 465 9.4.4 湿度可靠性 468 参考文献 470