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“微纳机电系统”课程教学方法探讨

电气电子教学学报 2014年第4期36卷 69-70,93页

作者：菅傲群张文栋太原理工大学信息工程学院山西太原030024

本文从"微纳机电系统"课程的内容特点与教学方式两个方面对其教法展开了探索性研究。在课程内容方面,我们讨论了物理模型理解在该课程中的作用,强调了点面结合,系统地介绍微纳加工工艺的重要性。在教学方式上,我们增加建模软件ANSYS上... 详细信息

本文从"微纳机电系统"课程的内容特点与教学方式两个方面对其教法展开了探索性研究。在课程内容方面,我们讨论了物理模型理解在该课程中的作用,强调了点面结合,系统地介绍微纳加工工艺的重要性。在教学方式上,我们增加建模软件ANSYS上机练习,提高学生的动手能力;结合工程实际问题,系统地介绍某一经典器件。

关键词：微纳机电系统教学方式课程内容

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表面效应下微纳机电系统跨尺度动力学

表面效应下微纳机电系统跨尺度动力学

英国基于微纳机电系统的Gun-Hard惯性测量装置研究进展

第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：胡开明张文明孟光上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室

微纳机电系统(MEMS/NEMS)是面向国家重大战略需求的多学科交叉融合高新技术,已在航空航天、军工电子、生物医学等领域有着重要的应用,是21世纪国际前沿研究领域之一。随着微纳技术向集成化、智能化、柔度化方向高速发展,MEMS/NEMS器件... 详细信息

微纳机电系统(MEMS/NEMS)是面向国家重大战略需求的多学科交叉融合高新技术,已在航空航天、军工电子、生物医学等领域有着重要的应用,是21世纪国际前沿研究领域之一。随着微纳技术向集成化、智能化、柔度化方向高速发展,MEMS/NEMS器件结构特征尺寸从百微米级减小到纳米级甚至亚纳米级,其比表面积急剧增大,呈现出丰富的多尺度(原子/分子-纳米-微米)、多机制(结构固有、分子吸附、热振动、紫外曝光等多源诱因)、多模式(表面弹性、表面应力、表面失稳等)表面效应,使器件表现出多模式跨尺度域交叉耦合、跨频域-跨尺度域多域耦合、光-热-力多物理场跨尺度耦合等更为复杂的跨尺度动力学问题,不仅严重制约了器件动力学性能进一步提高,也对传统动力学理论与方法提出了新的挑战。因此,构建表面效应下MEMS/NEMS结构跨尺度动力学理论不仅是微纳科学技术领域亟需突破的共性关键基础科学问题,也是推动动力学与控制学科向极端尺度系统发展的前沿学术方向。汇报人瞄准微纳机电系统跨尺度动力学基础科学问题,在MEMS/NEMS表面效应跨尺度形成机理、动力学作用机制、调控方法与设计理论方面,开展了表面效应下MEMS/NEMS器件跨尺度动力学理论与方法研究,解决了原子极端尺度器件力-光-热多物理场耦合跨尺度动力学调控与设计难题,实现了器件的关键光学性能大幅度跃升(将原有国际最高水平提升670%)。

关键词：微纳机电系统跨尺度动力学建模调控方法表面效应

来源： cnki会议评论

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科技创新导报 2013年第27期10卷 205-207页

作者：莫非陈秦西南技术工程研究所重庆400039

BAE SYSTEMS(英国航太系统公司)是一家惯性传感器和系统的最主要供应商,该公司正在研制基于微纳机电系统的惯性测量装置。SilMU02TM在炮射制导射弹的发射环境中受到严重冲击和振动后,依然仍能够抗毁和运行,并且,其体积小到足以适合下一... 详细信息

BAE SYSTEMS(英国航太系统公司)是一家惯性传感器和系统的最主要供应商,该公司正在研制基于微纳机电系统的惯性测量装置。SilMU02TM在炮射制导射弹的发射环境中受到严重冲击和振动后,依然仍能够抗毁和运行,并且,其体积小到足以适合下一代小口径制导火箭和导弹。该文通过跟踪第一代SiIMU01TM到第二代SiIMU02TM的合理进程,介绍了惯性测量装置的结构,分析了下一步所依循的线路图,甚至未来达到更小、更佳性能的微机电系统惯性测量装置。该文还介绍了如何通过将传感器技术与SiIMU02TM中所用惯性测量装置结构相结合来解决编制制导炮弹程序这些问题。

关键词： SilMU02^TM 微纳机电系统惯性测量装置

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非晶合金微力传感器

传感器与微系统 2021年第5期40卷 67-70页

作者：张凯翔马明哲刘泽武汉大学土木建筑工程学院工程力学系湖北武汉430072 武汉大学土木建筑工程学院土木工程系湖北武汉430072

非晶合金具有高强度、高弹性极限等优异的力学性质以及独特的可热塑性成形特性。基于设计的双悬臂探针,制备了一种非晶合金微力传感器。利用所制备的微力传感器,在显微镜下可方便地实现微纳米尺寸试样或部件侧弯作用下的载荷-位移曲线... 详细信息

非晶合金具有高强度、高弹性极限等优异的力学性质以及独特的可热塑性成形特性。基于设计的双悬臂探针,制备了一种非晶合金微力传感器。利用所制备的微力传感器,在显微镜下可方便地实现微纳米尺寸试样或部件侧弯作用下的载荷-位移曲线的快速获取。该微力传感器测试原理简单,不需要额外的测试电路设计,具有线性度好、可重复性高、量程大等特点。

关键词：微力传感器非晶合金微纳机电系统微成型

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集成微流道的体波谐振液相传感器研究

集成微流道的体波谐振液相传感器研究

作者：刘梓枫天津大学

学位级别：硕士

微流控技术在现代生物化学传感中具有重要的应用潜力。微流控器件可以实现对微量液体的操作,是低成本、快速、高效检测的强大工具。微流控器件加工工艺和MEMS工艺兼容,具有集成传感模块的能力。二者的集成为片上实验室系统的实现提供了... 详细信息

微流控技术在现代生物化学传感中具有重要的应用潜力。微流控器件可以实现对微量液体的操作,是低成本、快速、高效检测的强大工具。微流控器件加工工艺和MEMS工艺兼容,具有集成传感模块的能力。二者的集成为片上实验室系统的实现提供了良好的解决方案。薄膜体声波谐振器是一种新型的质量传感器,它具有很高的品质因数和GHz频段的工作频率,因此具有极高的质量灵敏度。薄膜体声波谐振器采用MEMS工艺制造,是低成本、高灵敏度生化检测的理想工具。这种加工方法与集成电路工艺兼容,方便与信号处理电路的集成。但是谐振器在液体中的品质因数会有严重的下降,阻碍了其在生化传感领域的广泛应用。为了解决薄膜体声波谐振器在液体环境中的传感问题,本论文结合微流控技术,提出了谐振器与微流道集成的解决方案,避免了谐振器和液体的大范围接触,从而有效地提高了谐振器的品质因数。设计版图并制造了器件,搭建了器件的测试与传感平台。通过葡萄糖与甘油的检测实验证明了器件在液体中的应用价值,并对器件的工作机理进行了理论分析。本论文的研究内容主要有以下几个方面:1.提出了微流道和谐振器的集成方案;结合微流体理论,设计了基于氮化铝材料的微流道;开发了利用牺牲层释放技术将微流道和谐振器集成的方法;探索了器件的加工工艺,解决了器件加工过程中遇到的关键问题;2.器件加工完成后,搭建了器件的测试和实验平台,对加工好的器件在空气中和液体中的性能进行了测试。测试结果表明,器件在液体中的品质因数提升了一个数量级。并且展示了器件在葡萄糖浓度和甘油浓度检测方面的应用;3.通过仿真和理论推导,解释了集成微流道后传感器性能改善的原因,并解释了传感器频率随浓度增加而上升的机制。

关键词：薄膜体声波谐振器传感器微流道氮化铝片上实验室微纳机电系统

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基于压阻检测的双端固支硅纳米梁研究

基于压阻检测的双端固支硅纳米梁研究

作者：赵全斌中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）

学位级别：硕士

NEMS谐振器作为痕量传感器在生化检测等领域应用获得广泛关注，而纳米尺度下器件的谐振特性检测成为一个关键技术问题。在硅基谐振器特性的主要检测方法中，压阻检测方法因易于实现、易于与器件集成等优点而应用甚多，但是在纳米厚度的N... 详细信息

NEMS谐振器作为痕量传感器在生化检测等领域应用获得广泛关注，而纳米尺度下器件的谐振特性检测成为一个关键技术问题。在硅基谐振器特性的主要检测方法中，压阻检测方法因易于实现、易于与器件集成等优点而应用甚多，但是在纳米厚度的NEMS谐振器上形成压阻器件是实现压阻检测的一个挑战。本文工作主要探索硅纳米谐振器上压阻检测的实现方法，以促进器件的实际应用。本文创新性地提出利用Ar离子选择性注入纳米厚度的双端固支硅纳米梁，以形成压阻器件的技术方案。其基本原理是，注入的高能量Ar离子，破坏了硅梁单侧的原子结构，形成纳米厚度的硅无定形区域。未经退火修复的无定型硅中具有大量的断裂价键，其电导率明显下降，而无Ar离子注入的其他部分则保持原有的原子结构和电导率，在纳米梁的厚度方向上形成电导梯度，从而表现出压阻特性。本文总结介绍了微纳器件相关的主要噪声和阻尼机制，对双端固支梁的谐振频率和其谐振模态进行了理论分析计算，完成了NEMS谐振器的结构设计。在比较分析了微纳谐振器的激励方式的基础上，确定以静电激励作为我们实验的激励方式。同时，介绍了硅的压阻性质，并分析了本文工作所涉及的硅纳米梁器件的压阻电阻变化率。本文采用基于MEMS技术的纳米制造方法，重点分析研究了KOH各向异性腐蚀技术的特点，结合体MEMS工艺中的干法刻蚀等关键工艺，在(111)硅片上制作出了厚度约为200nm的双端固支硅纳米梁。利用Ar离子选择性注入方法，在该硅纳米梁上形成了用于实测的压阻器件。本文设计了静电激励和压阻检测电路系统，实现了双端固支硅纳米梁静态和动态特性测量。静态测量表明，Ar离子注入所形成的压阻电阻，相对静态偏置电压的具有0.5％／V左右的变化率。在大气下，实现了双端固支硅纳米梁的谐振特性的检测，得到谐振频率为400KHz，Q值为7.9;对硅纳米梁进行退火后可以获得更高的Q值，达394。我们认为，适度的退火可以对Ar离子注入损伤进行部分修复，降低能量耗散，在保持压阻特性的同时可提高Q值，有利于器件的实际应用。

关键词：微纳机电系统双端固支硅纳米梁压阻检测 Ar离子注入谐振特性

液体环境下表面电荷对微纳尺度摩擦磨损的影响

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液体环境下表面电荷对微纳尺度摩擦磨损的影响

作者：龙洋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来,微纳机电系统(MEMS/NEMS)在众多领域中都取得了十分广阔的应用,但由于系统尺寸的减小以及表面积-体积比的增大使得表面摩擦力成为制约其发展的重要因素。理论与实验研究都指出,在液体环境下,固液界面的表面电荷会形成双电层,双... 详细信息

近年来,微纳机电系统(MEMS/NEMS)在众多领域中都取得了十分广阔的应用,但由于系统尺寸的减小以及表面积-体积比的增大使得表面摩擦力成为制约其发展的重要因素。理论与实验研究都指出,在液体环境下,固液界面的表面电荷会形成双电层,双电层之间的作用力对微纳米尺度的摩擦有着重要的影响,但是目前研究普遍集中在摩擦副为同种材料的情况,对于不同材料构成的摩擦副的研究很少,而且有关表面电荷对界面微纳米尺度磨损影响的研究并不充分。针对以上问题,本文应用原子力显微镜(AFM)研究了液体环境下表面电荷对于不同材料构成的摩擦副表面的摩擦性能以及磨损的影响。首先建立了AFM探针-样品双电层间静电力理论模型,推导了相应的计算公式,分析了Si O2、Al2O3、Si3N4三种样品固液界面表面电荷产生的机理,测量了三种样品的表面电荷密度,研究了表面电荷对双电层间静电力的影响。最后基于探针-样品模型推导了范德华力计算公式,综合考虑静电力及范德华力的影响对摩擦力公式进行了修正。随后从分析AFM探针扫描样品表面过程中受力的变化入手,建立了一种将AFM电压信号转化为摩擦力的方法,并通过测量空气中Si3N4/云母表面间的摩擦系数,与前人研究进行对比,验证了该方法的准确性。建立了摩擦力转化方法后,利用AFM接触模式测量了不同p H值溶液中Si O2探针/Al2O3表面、Si3N4探针/Si O2表面以及Si3N4探针/Al2O3表面三组摩擦副的摩擦系数,结合静电力理论计算结果,分析了非对称双电层间静电力对于两表面间摩擦系数的影响机理。最后,利用AFM接触模式进行了不同p H值溶液中云母以及Mg O表面磨损实验,原位测量表面磨痕深度,分析了云母和Mg O表面磨痕产生的机理,研究了表面电荷对于表面磨痕深度的影响。综上所述,本文测量了固液界面表面电荷密度,从理论上计算了双电层间静电力,建立了AFM测量摩擦力的方法,并利用AFM接触模式探究了双电层之间的作用力对于摩擦以及表面磨损的影响。

关键词：微纳机电系统表面电荷原子力显微镜摩擦力磨痕深度

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石墨烯机械振子的非线性实验研究

石墨烯机械振子的非线性实验研究

作者：索姣姣电子科技大学

学位级别：硕士

非线性作为基础物理科学研究中一个复杂的领域,一直以来受到了各方面的广泛关注。在工程应用领域,非线性体现在机电信号处理、信号放大、质量和位移传感器、磁场检测和灵敏度改善等方面;在基础科研领域,诸如器件调谐、混沌动力学行为、... 详细信息

非线性作为基础物理科学研究中一个复杂的领域,一直以来受到了各方面的广泛关注。在工程应用领域,非线性体现在机电信号处理、信号放大、质量和位移传感器、磁场检测和灵敏度改善等方面;在基础科研领域,诸如器件调谐、混沌动力学行为、卡西米尔力、降低相位噪声和振荡器中的频率稳定性等方面非线性也起到了很重要的作用。在微纳机械振子中,非线性作为本身的一种固有性质,在不同条件下会表现出不同的性质。本课题选择石墨烯机械振子作为主要的研究对象,利用低温光学系统对其进行调控,来研究石墨烯机械振子中产生的非线性。本文的主要研究内容分为石墨烯机械振子的制备以及低温光学测量两大方面。首先介绍了实验中少层石墨烯机械振子的加工工艺、原理、设备、步骤等,经过对涉及到的设备、工艺条件进行摸索和改进后得到了相对稳定的制备工艺,利用ICP和氢氟酸相结合的刻蚀工艺制备了少层串联的石墨烯机械振子。之后介绍了常见的机械振子测量方法以及本实验中用到的光学测量平台,我们通过对机械振子栅极施加光学和电学调控,得到了基本谐振模式以及非线性的硬化过程。通过焦耳加热的方式对单个机械振子的非线性进行动态调控,发现了焦耳热作用下机械振子的非线性软化现象,这为高温下研究机械振子的非线性提供了一定的实验参考。最后,研究了多个振子串联条件下,焦耳加热对近邻、非近邻机械振子的影响,观察到14 μm以内机械振子之间存在的热输运,并观察到了局域的模式耦合现象,这为高温下多个机械振子之间的耦合、相干等谐振特性的研究提供了参考,也使得机械振子在高温领域具有一定的研究及应用价值。

关键词：微纳机电系统石墨烯机械振子激光干涉测量非线性焦耳加热

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基于广义热弹性的纳米谐振器耗散特性研究

基于广义热弹性的纳米谐振器耗散特性研究

作者：尹义鹏中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

微纳米谐振器在高精度测量和信号处理等诸多领域表现出了优越特性而备受关注,已成为当前的研究重点和热点之一。在振动过程中,谐振器内部会产生不均匀的变形,受挤压的区域温度升高,受拉伸的区域温度降低,因而产生的温度差促使不可逆性... 详细信息

微纳米谐振器在高精度测量和信号处理等诸多领域表现出了优越特性而备受关注,已成为当前的研究重点和热点之一。在振动过程中,谐振器内部会产生不均匀的变形,受挤压的区域温度升高,受拉伸的区域温度降低,因而产生的温度差促使不可逆性热流从高温区域向低温区域扩散。热弹性阻尼正是由于热传导不可逆性而引起的能量耗散,是谐振器主要的能量耗散机制之一。为提高微纳米谐振器的工作效率、减少能量耗散,研究谐振器能量耗散的机制迫在眉睫。本文基于谐振器在小尺度下表现出的不可忽略的表面效应以及经典热传导理论与客观不符的局限性,对微纳米谐振器的热弹性阻尼进行了研究,主要工作如下:(1)基于经典傅里叶热传导理论研究了表面效应对谐振器热弹性阻尼的影响。纳米器件由于其结构尺寸较小,表面原子的作用更加明显,且表面原子相较于内部原子在物理性质上有着显著的不同,表面效应也成为影响纳米结构材料的一个非常重要的因素。本章基于Hamilton原理和热流势最小作用量原理给出了考虑表面效应的控制方程,并求解热弹性阻尼的表达式。结果表明,在微纳米尺度下表面效应对热弹性阻尼的影响比较明显,且会影响热弹性阻尼的峰值。(2)基于非傅里叶热传导理论研究了表面广义热弹性理论对谐振器热弹性阻尼的影响。经典傅里叶理论认为热传播速度无限大,这与客观事实不符;因此本章考虑热传播速度有限性的广义热弹性理论对热弹性阻尼的影响。研究表明,对于考虑广义热弹性理论的纵向振动其热弹性阻尼大于不考虑广义热弹性理论阻尼的峰值,而且会使峰值的位置发生移动。(3)基于表面广义热弹性理论和温度增量与热膨胀之间的松弛时间来探讨其对谐振器梁热弹性阻尼的影响。结果显示,在微纳米尺度下表面效应和广义热弹性理论对热弹性的影响较大,且基于广义热弹性理论的结果远远大于基于L-R模型下阻尼的峰值;与此同时,纳米梁宽和初始温度对热弹性阻尼也有一定的影响。最后由横向振动的结果表明,其与纵向振动模式下热弹性阻尼的机制相同。本文探讨了表面效应和广义热弹性理论对微纳米谐振器热弹性阻尼的影响,研究结果可为微纳米谐振器元件的灵敏度和效率提供参考。

关键词：热松弛广义热弹性纵向振动表面效应微纳机电系统