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