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【内容】
本书主要介绍微/纳机电系统(MEMS/NEMS)谐振器动力学设计理论、分析方法及应用技术。全书共9章，主要内容包括：MEMS/NEMS技术基础和MEMS/NEMS谐振器技术的发展历程与发展趋势；谐振器的工作原理、谐振结构设计理论及分析技术；谐振器件制备涉及的材料、微纳加工工艺及技术；谐振器中存在的丰富非线性现象和复杂动力学行为；微纳尺度下的能量耗散理论、阻尼特性、作用机制及测试方法；谐振器中应用的各种振动激励与检测原理及技术；通道式MEMS/NEMS谐振器检测原理、动力学设计与分析技术；微纳尺度下谐振器件的模态弱耦合作用机制、谐振器设计及传感技术；谐振器中存在的典型失效模式与失效机理，以及多种可靠性评估方法和测试技术。
【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
1.2MEMS/NEMS技术概述3
1.2.1MEMS技术4
1.2.2NEMS技术8
1.3MEMS/NEMS谐振器技术发展历程10
1.3.1MEMS谐振器技术11
1.3.2NEMS谐振器技术13
1.3.3NEMS谐振器的量子极限15
1.4MEMS/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
1.5MEMS/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弯曲振动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
3.5.3PZT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
5.3.2LR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
5.4.1Akhiezer阻尼221
5.4.2Landau-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弯曲振动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弯曲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
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
1.2MEMS/NEMS技术概述3
1.2.1MEMS技术4
1.2.2NEMS技术8
1.3MEMS/NEMS谐振器技术发展历程10
1.3.1MEMS谐振器技术11
1.3.2NEMS谐振器技术13
1.3.3NEMS谐振器的量子极限15
1.4MEMS/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
1.5MEMS/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弯曲振动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
3.5.3PZT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
5.3.2LR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
5.4.1Akhiezer阻尼221
5.4.2Landau-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弯曲振动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弯曲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
