微机电系统力学

微机电系统(MEMS)技术的发展突飞猛进，涵盖的领域日渐宽广，市场前景及对国民经济的影响日益广阔，人们对其原理、特性及规律的研究和认识也日趋深入。微机电系统的特征尺寸在微纳米范围，尺度上存在特殊性。但它并不是宏观机电系统的简单缩小，更不是微电子技术的简单外延。在微纳米尺度范围内，微结构的力学行为并不完全相似于宏观的结构，微机械的运动也并不完全相似于宏观的机械。材料本身的特性在微纳米尺度下也出现了新的值得探索的状况和问题。事实上，微机电系统技术的难度核心主要不是表现在微电子方面，而是表现在微机械或微结构方面，表现在微机械(或微结构)与微电子的有机结合方面。微机械的运动、微结构的变形、电子与机械的能量转换、微系统的智能控制等都是微机电系统的技术核心。而微机械的运动、微结构的变形、机械与电子的能量转换、微系统的智能控制等却更多地依赖于所处的力学环境。从力学的角度看，微纳米尺度下的力学环境相对于宏观尺度已发生了很大的变化。任何在宏观系统中认为微不足道的因素都有可能成为微机电系统中的重要因素。因此，就当前的科技发展水平，系统地阐述微纳米尺度下的力学特性、力学行为和力学规律是很必要的。

高世桥，1961年6月生，博士，教授，博士生导师，享受国务院政府津贴，德国洪堡基金获得者。现任教于北京理工大学宇航科学技术学院，从事非线性结构动力学、冲击动力学及微机电技术研究。先后在国际、国内的重要学术刊物上发表论文80余篇。获多项国家、省部级奖。

第1章 微机电系统的发展与力学
科学技术的发展使人类在探索宏观世界的同时，也在向微观世界进军。1965年诺贝尔物理学奖的获得者、著名物理学家费恩曼（Richard P．Feynman）教授曾敏锐地观察到了这一领域在科学技术方面潜在的巨大推动作用。他曾在1959年的美国物理学会年会上发表了极富有远见且具有开拓性的重要报告，“There’sP1enty of Room at the Bottom”，他在报告中预示了制造微小器具技术的出现，可以采用大型机器来制造比自己体积小的机器，而这小的机器又可以制造更小的机器，这是一条自上而下（Top．Down）从宏观到微观的发展途径。同时，他还论述了人们可以按照希望的方式以原子、分子为模块来构筑各种物质，这是一条自下而上（Bottom．Up）由小到大的新途径。而且文中一些涉及微机械机理的观点至今仍是该领域的重要研究课题。
微机电系统是以半导体（特别是硅）为材料，以IC（集成电路）加工技术为手段，以固态物性传感器为背景发展起来的。20世纪80年代中期，美国加州大学Berke1ey分校、威州大学Madison分校等单位研究出了表面微加工技术。他们以多晶硅薄膜作为结构材料，以磷硅玻璃作为牺牲层，制成了多晶硅压力传感器、硅梁和连杆等微机械运动部件。1987年美国加州大学Berke1ey分校研制出了转子直径为60um-120um的硅静电微马达，如图1．1所示，显示了应用集成电路制造技术加工微系统的优势。
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