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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 MEMS的基本特征和主要技术领域2

1.3 动态MEMS中的常用材料4

1.3.1 硅基材料5

1.3.2 砷化镓7

1.3.3 石英7

1.3.4 压电陶瓷7

1.3.5 聚偏二氟乙烯薄膜8

1.3.6 磁致伸缩材料9

1.3.7 形状记忆合金10

1.3.8 电流变液和磁流变液材料10

1.3.9 膨胀合金11

1.3.10 金刚石材料11

1.3.11 纳米相材料12

1.4 动态MEMS的设计方法简介13

1.4.1 MEMS动力学13

1.4.2 动态MEMS设计方法14

1.5 动态MEMS的制造技术简介15

1.6 动态MEMS的控制技术及其发展概况17

1.7 MEMS的应用前景18

1.7.1 MEMS在生物医学领域的应用18

1.7.2 MEMS在军事和航空航天领域的应用20

1.7.3 MEMS在其他方面的应用23

参考文献23

第2章 动态MEMS中的功能材料与制备方法27

2.1 引言27

2.2 动态MEMS压电材料27

2.2.1 压电材料的种类28

2.2.2 压电材料的性能及检测36

2.2.3 压电材料的可控制备47

2.2.4 压电材料在动态MEMS中的应用59

2.3 动态MEMS磁致伸缩材料61

2.3.1 磁致伸缩材料的种类65

2.3.2 磁致伸缩材料的性能及检测77

2.3.3 磁致伸缩材料可控制备84

2.3.4 磁致伸缩材料在动态MEMS中的应用89

2.4 动态MEMS形状记忆合金材料92

2.4.1 形状记忆合金的种类94

2.4.2 形状记忆合金的性能及影响因素96

2.4.3 形状记忆合金材料在动态MEMS中的应用100

2.5 动态MEMS智能高分子材料104

2.5.1 智能高分子的种类105

2.5.2 智能高分子材料在动态MEMS中的应用111

参考文献115

第3章 动态MEMS的设计理论与设计方法122

3.1 引言122

3.2 分布式全柔性微机构的拓扑优化设计方法125

3.2.1 均匀化方法129

3.2.2 密度法131

3.2.3 水平集法141

3.2.4 渐进结构法150

3.2.5 全柔性微机构拓扑优化设计的发展趋势152

3.3 动态MEMS的可靠性设计方法153

3.3.1 基于可靠性的设计优化问题的数学模型153

3.3.2 常用可靠性分析方法154

3.3.3 MEMS可靠性优化设计实例161

3.4 电热微致动器的鲁棒优化设计162

3.4.1 电热微致动器的鲁棒设计163

3.4.2 电热微致动器的制造与验证165

3.5 可变电容静电微电机的优化设计166

3.5.1 侧面驱动可变电容静电微电机的数学模型167

3.5.2 可变电容静电微电机的驱动方法168

3.5.3 可变电容静电微电机的优化设计170

3.6 动态MEMS设计理论的发展展望172

参考文献173

第4章 动态MEMS的制造技术177

4.1 MEMS的制造技术简介177

4.1.1 体微机械加工技术178

4.1.2 表面微机械加工技术178

4.1.3 LIGA加工技术181

4.1.4 纳米加工技术182

4.2 薄膜材料制备技术184

4.2.1 真空蒸发法184

4.2.2 溅射法187

4.2.3 化学气相沉积法189

4.2.4 化学溶液沉积法192

4.3 光刻技术195

4.3.1 掩模版195

4.3.2 光刻胶196

4.3.3 光刻工艺198

4.4 刻蚀技术201

4.4.1 湿法刻蚀简介202

4.4.2 湿法各向同性刻蚀202

4.4.3 湿法各向异性刻蚀204

4.4.4 自停止刻蚀207

4.4.5 干法刻蚀209

4.4.6 等离子体刻蚀210

4.4.7 离子束刻蚀／离子研磨刻蚀216

4.5 键合工艺技术219

4.5.1 阳极键合219

4.5.2 Si-Si直接键合220

4.5.3 玻璃封接键合221

4.5.4 金属共熔键合221

4.5.5 冷压焊键合222

4.5.6 引线键合222

4.6 MEMS制造中常见的失效模式与防止方法223

4.6.1 黏附224

4.6.2 磨损226

参考文献229

第5章 动态MEMS的建模与控制技术231

5.1 引言231

5.1.1 静电微致动器232

5.1.2 压电微致动器234

5.1.3 形状记忆合金微致动器236

5.1.4 电热微致动器238

5.2 典型动态MEMS的动力学模型239

5.2.1 静电微致动器的动力学模型240

5.2.2 压电微致动器的动力学模型247

5.2.3 形状记忆合金微致动器的动力学模型254

5.3 动态MEMS的非线性特征及其应用261

5.3.1 MEMS非线性动力学的多稳态特征262

5.3.2 SMA的变形迟滞现象在智能结构减振中的应用272

5.4 动态MEMS控制技术的理论基础275

5.4.1 非线性系统的可达性、可控性275

5.4.2 非线性系统的运动稳定性280

5.4.3 非线性系统的规范形283

5.5 动态MEMS的控制器设计286

5.5.1 静电微致动器控制系统的Brunovsky规范形286

5.5.2 静电微致动器的滑模变结构控制289

5.5.3 静电微致动器的有限时间稳定控制291

5.5.4 静电微致动器的输出反馈控制299

5.5.5 单面压电薄膜悬臂梁末端位置的滑模变结构控制方法302

5.5.6 微致动器迟滞补偿控制的描述函数方法305

5.5.7 微致动器迟滞补偿控制的人工智能方法308

5.6 动态MEMS的控制技术实验方法310

5.6.1 静电微致动器的控制实验311

5.6.2 压电陶瓷微致动器的控制实验313

5.6.3 SMA微致动器的控制实验317

参考文献318

第6章 典型动态MEMS剖析327

6.1 压电微致动器的电荷驱动控制327

6.1.1 压电材料微致动器的电荷放大器327

6.1.2 压电材料微致动器电荷驱动与电压驱动之间的关系330

6.1.3 压电材料微致动器不同驱动方式的效果比较331

6.2 压电微电机332

6.2.1 压电电机的工作原理和分类333

6.2.2 一种直径为1.5mm的压电超声微电机338

6.3 旋转式静电微致动器342

6.3.1 可变电容静电微电机简介343

6.3.2 可变电容静电微电机的拓扑优化设计346

6.3.3 可变电容静电微电机的制造工艺349

6.3.4 可变电容静电微电机结构的改进351

6.3.5 可变电容静电微电机的能效性分析354

6.3.6 摇摆式静电微电机361

6.3.7 静电感应微电机371

6.4 PZT微致动器的制备377

6.4.1 PZT压电膜驱动的MEMS微悬臂梁的制作工艺流程377

6.4.2 4英寸硅基PZT压电膜的制备378

6.4.3 PZT压电膜的图形化工艺379

6.4.4 PZT压电膜驱动的MEMS微悬臂梁的深硅刻蚀工艺380

参考文献381