微机电系统文献综述

基于Galerkin法分析微梁的动态响应一、课题研究背景1.MEMS的概念MEMS是微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem)的英文缩写，是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感－计算(控制)－执行”功能的智能微型装置或微型系统[1]。随着技术的兴起和发展，MEMS已成为继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。MEMS通过力、电、磁等能量的转换来实现自身的特有功能，涉及多种物理场的互相耦合，因此它是一个多能量域耦合作用的极其复杂的系统。2.MEMS的特点一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：（1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1cm尺度的“机械”，并非进入物理上的微观层次。（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近钼和钨。基于(但不限于)硅微加工技术制造。（3）批量生产大大降低了MEMS产品成本。用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产使性能价格比比之传统“机械”制造技术大幅度地提高。（4）集成化。可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的MEMS。3.MEMS的研究领域作为一门交叉学科，MEMS的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。由于MEMS具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列优点，MEMS的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料、光学、流体、化学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域[2-5]，所以MEMS技术是一门多学科的综合技术。MEMS的研究包括理论基础、技术基础和应用与开发研究。MEMS理论基础研究主要包括由于尺寸的微小型化、结构材料以及加工方法的不同带来的一些新的理论问题。结构尺寸效应和微小型化理论，如:力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等等。尺寸减小到一定程度，有些宏观物理量甚至要重新定义，随着尺寸减小，需要进一步研究微结构力学、微动力学、微液体力学、微磨擦学、微电子学、微光学和微生物学等。4.MEMS的应用微型仪器是MEMS技术的实际应用，是MEMS技术与微电子技术综合集成成果之一，它具有一般MEMS系统特有的优点和性能，更为主要的是大大提高了仪器的功能密度和性能价格比。根据MEMS的特征尺寸和受力特点，可以将其简化为一些简单的结构形式，微梁就是一种在MEMS中得到广泛应用的典型结构。在MEMS中，微梁是系统的关键部件之一，其动力学特性直接关系到整个系统的性能。微致动器、微传感器等微型仪器器件设计中常采用各种微梁结构，如微加速度传感器、插齿电容谐振器、插齿电容致动器等。目前，由于微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应，使得微梁的动力学性态较传统的大尺寸柔性梁的动力学性态呈现明显的不同。微尺度实验证实微结构的力学性能存在尺寸效应，传统力学理论的本构关系中不包含任何与尺度相关的参数，不能够描述和解释力学性能的尺寸效应现象。而且微型器件在工作中存在着电场力与结构变形的机电耦合问题，该问题是导致目前微机械产品易出现稳定性差、可靠性低、次品率高的原因之一。因此，研究机电耦合微梁结构对于推动MEMS的发展具有重要意义[6-9]。二、课题研究现状自20世纪80年代起，MEMS就引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视，成为发达国家高科技发展的重点方向之一。目前，国外己研制成的MEMS/微机械结构部件有阀门、弹簧、喷嘴、臂梁、齿轮，连接器、散热器、马达及各种传感器(如加速度表、陀螺、微型惯性测量组合等)。硅微压力传感器、微加速计和微阀等已成为商品，具有和传统产品竞争的能力。美国、德国和日本在MEMS研究方面已取得市场效益，主要以加速度传感器、惯性测量器件、微流体系统为主导产品[10-14]。东南亚地区如新加坡、韩国在MEMS研究中也取得一些成果。我国的MEMS研究始于20世纪90年代，主要从事微机械动力学等基础理论的研究，并在微电机、微马达、微惯性测量等方面取得了阶段性的成果。国家自然科学基金、“863”计划等对MEMS研究都给予了充分的重视和资助[15-18]。1.国外研究现状[19]（1）美国美国对MEMS的研究多直接列入国防研制计划。1994年发布的《美国国防部技术计划》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。美国宇航局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”。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。美国大批量生产的硅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、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上mmmm33的范围内。美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域并制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT、加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万美元、200万美元加到1993年的500万美元。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21115m研究开发MEMS的超净实验室。加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的Imm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。（2）日本日本对MEMS的研究以开发微型机器人为目标，首期研发了医疗和核工业应用中的微型机器人，并于1991年成立了微机电系统研究中心。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达ttm5.1的微细轴。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型机械大型研究计划，研制两台样机。一台用于医疗，进人人体进行诊断和微型手术；另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、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。（3）德国德国的MEMS研究更侧重于微机械加工技术，并实现了多种具有前沿性的加工手段。德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990--1993年拨款支持“微系统技术”研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点。德国首创的LIGA(光刻电铸)工艺，制成了悬壁梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴，湿度、流量传感器以及多种光学器件，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。（4）其他国家法国1993年启动的7000万法郎的“微系统与技术”项目。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了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划，在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。欧共体也组成了多功能微系统研究网络(NetworkofExcellenceinMultifunctional，简称NEXUS），联合协调46个研究所的研究。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MENS开发集团，相继对微型系统的研究开发进行了重点投资。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5斗m的微型镊子可以夹起一个红血球。尺寸为mmmmmm277的微型泵流量可达min/.2501d，能开动mm3大小的汽车。还有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组合(MIMU)。2.国内研究现状[20]与国外相比，国内在这方面的研究起步晚，但是在研究方法和成果上来看，并不比国外的研究逊色，国内的研究方法也应经日趋成熟，研究成果也可谓硕果累累。在“八五”、“九五”期间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。1995年国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”(1995一1999年)。1999年“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究规划的立项建议。目前在我国己有40多个单位的50多个研究小组，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，其位移范围为10杠mxlop．m；位移分辨率为0．01p．m，精度为0．1Ixm，正在研制6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的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出Op2mm的电磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。我国有很多机构对多种微型机械加工的方法也开展了相应的研究，已奠定了一定的加工基础，能进行硅平面加工和体硅加工、LIGA加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工等。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，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。在新原理微器件、通用微器件、新的工艺和测试技术以及初步应用等方面我国也取得了显著的进展，已开展了包括微型直升机、力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械器件的研究和开发工作[21-23]。研究出的硅电容式微麦克风是目前国际同类研究中灵敏度最高的微麦克风，并且在国际上首次研制出包括片上转速检测电路的集成硅微静电马达，同时分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、硅微静电马达工艺己取得三项美国专利。三、课题研究内容本课题主要侧重于MEMS动力学的研究。机械系统动力学是研究机械在运行过程中的受力情况以及在这些力作用下的运动状态的学科，是进行机械结构动力优化设计的基础[24-25]。MEMS属于精密仪器范畴，且多在动态下工作，其动态特性是影响其工作性能的重要因素，要求对系统进行动态设计，研究其动力学特性对于设计新的微机械装置及更好地控制其工作特性有重要意义。主要完成以下工作：（1）熟悉等直梁自由振动的求解方法以及振型函数、固有频率等概念；掌握梁的横向振动的有关特性。（2）以施加电场力的变截面单微梁为具体研究对象，分析此机电耦合微梁系统的自由振动及其在简谐激励作用下的受迫振动规律，导出微梁单位长度上分布电场力。（3）建立电场力激励下的变截面微梁系统的机电耦合动力学模型。再从微元体的平衡出发，利用达朗贝尔原理建立变截面微梁的机电耦合动力学方程。（4）选取位移函数的形式，采用Galerkin法进行求解：①计算变截面微梁在机电耦合力作用下的静态位移；②求解变截面微梁系统的振动模态函数及固有频率，利用模态叠加法将系统振动响应表示为各阶模态的线性组合。（5）分析固定电极中的工作电压、微梁与固定电极之间间隙、微梁厚度及长度以及变截面等主要参数对静态位移、系统固有频率和振型的影响。（6）利用Matlab软件编写计算程序，并对程序进行调试与数值计算。四、课题研究方法迄今为止，国内外学者对电场力激励下的微梁动力学特性已经做了大量的研究。在建立微梁的动力学模型时，大都采用有限元方法，但数量众多的有限单元不仅给求解系统的动态响应带来困难，而且也不便于定性分析。另一种方法是建立微梁的连续模型(偏微分方程及其相应的边界条件），利用线性部分的模态将其离散化，再采用Galerkin法将系统降维。五、参考文献[1]江万权,朱春玲,陈祖耀,等.微米级高聚物包埋型金属铁复合粒子的球磨法制备及其磁流变效应[J].化学物理学报,2001,14(5):5