微机电系统机械学

0 引子 1

参考文献 4

1 微机电系统机械学问题概述 5

1.1 什么是微机电系统 5

1.2 为什么发展微机电系统 7

1.3 微尺度机械的微观效应简述 9

参考文献 13

2 微系统的表面与界面 14

2.1 固-液体的表面 14

2.1.1 表面的定义 14

2.1.2 固体表面 15

2.1.3 液体表面 16

2.2 固-液界面与固-液接触角 17

2.2.1 固-液界面 17

2.2.2 固-液接触角 18

2.2.3 接触线张力 20

2.3 粗糙表面的固-液接触角 20

2.3.1 Wenzel模型与Cassie模型 20

2.3.2 固体表面的微纳结构与亲疏水性质 23

2.3.3 粗糙表面的接触角滞后——花瓣效应与荷叶效应 24

2.4 弯液面的毛细作用 25

参考文献 28

3 微纳尺度作用力 29

3.1 微纳尺度基本力 29

3.1.1 基本力 29

3.1.2 电磁力与物质的组成和性质 31

3.1.3 极性分子和偶极矩 32

3.1.4 分子极化与极化强度 33

3.2 分子之间的范德华力 34

3.2.1 Keeson作用势 35

3.2.2 Debye作用势 36

3.2.3 色散力作用势 36

3.2.4 Lennard-Jones势 38

3.3 表面间的范德华作用力 39

3.3.1 微观颗粒之间的范德华作用力 39

3.3.2 介质中两个微粒子的范德华作用力 42

3.4 表面间的静电力 44

3.5 微间隙表面间的液桥力作用 46

3.5.1 光滑表面之间的液桥力 46

3.5.2 粗糙表面之间的液桥力 48

3.5.3 表面间液桥力的实验研究 51

3.6 微纳尺度作用力的测量 54

3.6.1 表面力仪 56

3.6.2 扫描隧道显微镜 56

3.6.3 原子力显微镜 58

3.6.4 原子力显微镜中的力曲线 59

参考文献 61

4 MEMS微构件的变形与振动 62

4.1 典型微构件的变形 62

4.1.1 微梁构件的弯曲变形 62

4.1.2 薄板构件的弯曲变形 65

4.1.3 典型微构件的扭转变形 67

4.2 典型微构件的单自由度振动 68

4.2.1 振动方程的建立 68

4.2.2 无阻尼和有阻尼自由振动 68

4.2.3 无阻尼与有阻尼受迫振动 71

4.2.4 加速度计的设计原理 73

4.2.5 谐振式传感器 77

4.3 典型微构件的多自由度振动 78

4.3.1 两自由度振动 78

4.3.2 连续膜的振动 80

4.4 微器件的挤压膜阻尼 81

4.4.1 挤压膜阻尼的基本方程与求解 81

4.4.2 不可压缩气体的阻尼力系数 84

4.4.3 可压缩气体介质的阻尼力系数 85

4.4.4 挤压膜阻尼作用下的振动响应 86

参考文献 87

5 微机械运动表面的接触、黏着与润滑 88

5.1 典型微机械运动表面的摩擦学问题 88

5.2 MEMS表界面的接触与黏着 90

5.2.1 表层结构与表面性质 90

5.2.2 表界面接触与弹性接触力学 91

5.2.3 表界面黏着机理与黏着接触力学 95

5.2.4 微构件的黏附失效 100

5.3 微尺度运动界面的摩擦与黏滑 101

5.3.1 Bowden-Tabor的简单黏着理论 102

5.3.2 摩擦二项式定理 102

5.3.3 微尺度运动表面间的黏滑 103

5.4 微尺度的润滑与边界滑移 106

5.4.1 微尺度润滑 106

5.4.2 边界滑移下的流体润滑 112

5.5 微构件表面的修饰改性与观测 117

5.5.1 表面修饰与改性技术 117

5.5.2 微构件表面观测技术 121

参考文献 123

6 微尺度流动 124

6.1 微尺度下的流体特性 124

6.1.1 流体的性质与特征时间 124

6.1.2 微尺度下受限液体与边界层特性 125

6.2 微尺度流动的无量纲数 128

6.2.1 Knudsen数 128

6.2.2 雷诺数 129

6.2.3 扩散系数 129

6.2.4 混合数 130

6.2.5 毛细数 132

6.2.6 表面张力梯度与Marangoni数 133

6.3 微流体的压力驱动 134

6.3.1 泊肃叶流和流阻 134

6.3.2 固-液边界滑移下的流阻 135

6.3.3 微管道中气泡造成的流阻 136

6.4 电渗和电泳——双电层原理 137

6.4.1 双电层的原理及模型——Stern模型 137

6.4.2 电渗与电泳 142

6.5 微液滴的驱动与操纵 145

6.5.1 微液滴的热驱动 145

6.5.2 电浸润 146

参考文献 148

附录A 实验内容与安排 150

实验A.1 验证拉普拉斯（Laplace）压力方程的气球实验 150

实验A.2 表面张力测定实验 151

实验A.3 MEMS分析软件的应用 152

实验A.4 原子力显微镜（AFM）测试微观形貌 153

附录B 试卷样题 155

后记 158