MEMS多晶圆旋转机械 涡轮机，发电机和发动机PDF电子书下载

第1章 动力微机电系统（PowerMEMS）简介 1

1.1 紧凑的便携式能源 1

1.2 化学能源 3

1.3 功率系统设计因素 5

1.4 总结 6

参考文献 6

第2章 系统设计和器件综述 7

2.1 简介 7

2.2 热力学和尺度效应 7

2.2.1 机械学尺度效应 9

2.3 MEMS燃气轮机的设计概述 10

2.4 轴承和转子动力学 12

2.5 涡轮机械流体力学 13

2.6 结构和材料 15

2.6.1 材料 15

2.6.2 结构设计 15

2.7 燃烧 16

2.8 发动机控制及配件 18

2.8.1 发动机控制 18

2.8.2 传感器 18

2.8.3 燃料控制阀 19

2.8.4 起动器-发电机 20

2.9 发动机设计、元件集成、设计演进 22

2.9.1 电动微马达-压缩机和涡轮机-发电机 23

2.10 总结 24

参考文献 24

第3章 材料、结构和封装 26

3.1 引言 26

3.2 尺度效应与材料选择 27

3.2.1 尺度效应 27

3.2.2 材料选择 27

3.3 室温下的强度设计 28

3.3.1 力学测试 28

3.3.2 结构设计 29

3.4 高温下的强度设计 31

3.4.1 硅的高温材料模型 32

3.5 硅的碳化物在混合结构中的使用 33

3.5.1 SiC/Si混合结构的机械特性 34

3.5.2 SiC/Si混合结构的制作工艺 35

3.5.3 机械测试结果 37

3.6 封装 39

3.7 总结 41

参考文献 41

第4章 微发动机的加工 43

4.1 前言 43

4.2 微发动机 43

4.2.1 轴承测试台 44

4.2.2 燃烧室 44

4.2.3 涡轮增压机 45

4.2.4 自激型发动机（SSE） 45

4.3 微加工基础工艺 46

4.3.1 微发动机材料 47

4.3.2 光刻 49

4.3.3 特殊光刻工艺 53

4.3.4 湿法腐蚀工艺 54

4.3.5 干法刻蚀工艺：反应离子刻蚀（RIE） 55

4.3.6 深反应离子刻蚀（DRIE） 55

4.3.7 熔融键合 61

4.3.8 阳极键合 64

4.4 微发动机的特有加工 64

4.4.1 进气增压孔和喷嘴的制作 65

4.4.2 转子释放方法 69

4.4.3 径向轴承的工艺开发 75

4.4.4 叶片加工过程 85

4.4.5 键合工艺 96

4.5 SSE的制作 102

4.5.1 简介 102

4.5.2 转子工艺：L3～L8 103

4.5.3 L1和L1o的制作 117

4.5.4 L2和L9的制作 117

4.5.5 最终组装 118

4.6 总结和展望 120

参考文献 121

第5章 微尺度旋转磁场机械的加工 124

5.1 引言 124

5.2 基本原理／结构 125

5.3 微尺度磁力机械的挑战 125

5.3.1 机械设计问题 126

5.3.2 加工工艺问题 127

5.4 线圈 127

5.4.1 基本工艺 128

5.4.2 多级线圈 129

5.5 软磁体 130

5.5.1 加工 132

5.5.2 叠层 133

5.6 硬磁体 133

5.6.1 加工 134

5.6.2 磁化 137

5.7 多晶圆硅片的集成 138

5.8 装置示例 140

5.8.1 感应电机 140

5.8.2 永磁体机 143

5.9 总结 146

参考文献 147

第6章 微型涡轮机械中的高速气体轴承 150

6.1 简介 150

6.2 相关工作 151

6.3 挑战和未知领域 152

6.4 MEMS涡轮机械的转子动力学考虑 154

6.5 静压气体径向轴承分析 157

6.5.1 流体静力学模型 158

6.5.2 流体动力学模型 159

6.5.3 阻尼力模型 160

6.5.4 建模的局限性 160

6.5.5 超短静压气体轴承的比例准则 161

6.6 超短径向气体轴承的涡动不稳定性 166

6.6.1 涡动不稳定出现的简化原则 166

6.6.2 不稳定流量对气体轴承动态行为的影响 169

6.6.3 增强涡动稳定的轴承各向异性刚度 176

6.7 静压推力气体轴承分析 185

6.7.1 静压推力气体轴承的稳态特性模型 187

6.7.2 转子倾斜对推力轴承性能的影响 190

6.7.3 动态稳定性考虑 198

6.8 环形密封 203

6.8.1 环形平面密封的负径向刚度 203

6.8.2 平面密封径向刚度模型 204

6.8.3 环形迷宫密封模型 206

6.9 试验考虑 209

6.9.1 测试设备及诊断 209

6.9.2 穿过固有频率和加速到高转速的运行策略 212

6.9.3 高DN轴承运行实例 214

6.10 设计内涵 215

6.10.1 轴承各向异性的影响 216

6.10.2 轴承性能和制造误差的关系 216

6.11 总结 218

参考文献 220

第7章 热流体和涡轮机械 223

7.1 绪论 223

7.2 尺度的含义 225

7.2.1 物理效应 225

7.2.2 制造约束影响 232

7.3 微型压缩机设计与分析 236

7.3.1 宏观压缩机试验台——一个用于研究绝热微尺度压缩机性能的放大设备 236

7.3.2 非绝热微型压缩机的性能 246

7.4 微涡轮机的设计 250

7.5 MEMS涡轮增压器 251

7.5.1 设计 251

7.5.2 结果 253

7.5.3 燃气涡轮机测试 255

7.6 总结 256

参考文献 257

第8章 发动机与发电机 259

8.1 背景 259

8.1.1 新颖之处 260

8.1.2 相同之处 265

8.1.3 电磁机械类型、属性和选择 265

8.1.4 小结 266

8.2 模型的简化 267

8.3 电感应机 268

8.3.1 分析 270

8.3.2 设计和性能 273

8.3.3 功率电子学和控制 278

8.3.4 特殊制造问题 280

8.3.5 试验 283

8.3.6 小结 287

8.4 永磁同步电机 288

8.4.1 建模 290

8.4.2 设计 300

8.4.3 功率电子 304

8.4.4 试验 310

8.4.5 小结 317

8.5 总结 318

参考文献 319

第9章 旋转机械的微燃烧室 323

9.1 绪论 323

9.2 燃烧的基本概念 324

9.2.1 燃烧的化学反应 324

9.2.2 当量比 325

9.2.3 化学动力学 325

9.2.4 微型燃烧室效率的定义 326

9.2.5 燃烧方法 327

9.3 微型燃烧室面临的挑战 328

9.3.1 停留时间的限制 328

9.3.2 热传递和流体结构耦合 330

9.3.3 材料限制 331

9.3.4 设计空间 331

9.4 均匀气相微燃烧室的研究 332

9.4.1 早期微燃烧室概述 332

9.4.2 贝塞尔六晶圆气相微燃烧室 333

9.4.3 回流区和燃烧稳定性 335

9.4.4 燃料注射和燃料空气混合 337

9.4.5 双区域微燃烧室 338

9.4.6 碳氢燃烧 339

9.4.7 燃烧空间 341

9.4.8 设计方法建议 342

9.5 均匀催化微燃烧室的研究 343

9.5.1 点火技术和特征 344

9.5.2 贝塞尔催化微燃烧室的性能 345

9.5.3 扩散和时间尺度 346

9.5.4 压力损耗 348

9.5.5 等温多孔活塞流体反应器模型 349

9.5.6 催化微燃烧室的运行空间 353

9.6 加工和封装 354

9.6.1 基本工艺 354

9.6.2 催化元件 356

9.6.3 催化微燃烧室的组装和键合 358

9.6.4 封装 359

9.7 总结 359

9.7.1 设计指南 359

9.7.2 未来工作展望 360

参考文献 361