微机电耦合动力学 [Coupled Dynamics of MEMS] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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许立忠，孙丽波 著

图书标签:

• 微机电系统
• MEMS
• 耦合动力学
• 动力学
• 振动
• 建模
• 仿真
• 控制
• 微纳技术
• 传感器
• 执行器

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118100532

版次：1

商品编码：11734345

包装：平装

丛书名： 微米纳米技术丛书 ，

外文名称：Coupled Dynamics of MEMS

开本：16开

出版时间：2015-05-01

用纸：胶版纸

页数：303

字数：350000

正文语种：中文

内容简介

　　《微机电耦合动力学》主要介绍MEMs典型构件机电耦合及机电流体耦合动力学的相关理论与应用。《微机电耦合动力学》共分12章，主要内容包括：微机电系统及微机电系统动力学问题的发展与应用现状；静电驱动微板、微梁机电耦合动力学理论；静电驱动微板、微梁机电耦合非线性动力学理论；考虑压膜阻尼的微梁机电流体耦合动力学理论；谐振式微型压力传感器敏感性分析；静电微泵泵膜动力学、流量及结构优化分析；静电驱动微板动力学实验测试。
　　《微机电耦合动力学》可供高等院校微电子、机电一体化等专业的师生阅读，也可作为从事微机电系统工程设计开发的研究生和科研技术人员参考。

目录

第1章 绪论
1.1 MEMS概述
1.2 MEMS在军事领域的应用
1.3 微构件动力学研究

第2章 微梁机电耦合振动
2.1 微梁机电耦合模型建立
2.2 静电力分析
2.3 悬臂式微梁机电耦合自由振动
2.3.1 静态位移求解
2.3.2 动态分析
2.4 弹性支撑微梁机电耦合自由振动
2.4.1 静态位移求解
2.4.2 动态分析
2.5 悬臂式微梁机电耦合受迫振动
2.5.1 简谐受迫振动
2.5.2 共振分析
2.6 弹性支撑微梁机电耦合受迫振动
2.6.1 简谐受迫振动
2.6.2 共振分析
2.7 实例计算及分析
2.7.1 悬臂式微梁
2.7.2 弹性支撑微梁

第3章 微梁机电耦合非线性动力学
3.1 弱非线性系统的自由振动
3.2 接近共振的受迫振动
3.3 远离共振的受迫振动
3.4 实例计算及分析
3.4.1 弱非线性系统自由振动分析
3.4.2 接近共振的受迫振动分析
3.4.3 远离共振的受迫振动分析

第4章 微梁机电流体耦合自由振动
4.1 微梁机电流体耦合模型建立
4.1.1 振动方程
4.1.2 空气挤压膜阻尼
4.1.3 系统动静态方程
4.2 微梁机电流体耦合自由振动
4.2.1 静态位移求解
4.2.2 动态分析
4.3 实例计算及分析
4.3.1 位移振动响应分析
4.3.2 电场、压力场振动响应分析
4.3.3 灵敏度分析

第5章 微梁机电流体耦合受迫振动
5.1 受迫振动方程的建立
5.2 受迫振动求解
5.3 实例计算及分析
5.3.1 共振分析
5.3.2 灵敏度分析

第6章 微板机电耦合振动
6.1 微板机电耦合模型建立
6.2 四边筒支微板机电耦合自由振动
6.2.1 静态位移求解
6.2.2 动态分析
6.3 对边简支对边固定微板机电耦合自由振动
6.3.1 静态位移求解
6.3.2 动态分析
6.4 三边简支一边自由微板机电耦合自由振动
6.4.1 静态位移求解
6.4.2 动态分析
6.5 四边简支微板机电耦合受迫振动
6.5.1 简谐电压激励
6.5.2 简谐外载荷激励
6.5.3 简谐电压和简谐外载荷共同激励
6.6 对边简支对边固定微板机电耦合受迫振动
6.6.1 简谐电压激励
6.6.2 简谐外载荷激励
6.6.3 简谐电压和简谐外载荷共同激励
6.7 三边简支一边自由微板机电耦合受迫振动
6.8 微板机电耦合自由振动实例计算及分析
6.8.1 四边简支微板
6.8.2 对边简支对边固定微板
6.8.3 三边简支一边自由微板
6.9 微板机电耦合受迫振动实例计算及分析
6.9.1 简谐电压激励下的受迫响应分析
6.9.2 简谐电压和简谐外载荷共同作用下的微板动态响应分析
6.9.3 简谐电压激励下的共振分析
6.9.4 简谐电压和简谐外载荷共同激励下的共振分析

第7章 微板机电耦合非线性动力学
7.1 弱非线性系统自由振动
7.1.1 非线性静电场力
7.1.2 系统非线性动力学方程
7.1.3 广义时间函数及幅频响应特性
7.2 接近共振的受迫振动
7.3 远离共振的受迫振动
7.4 实例计算及分析
7.4.1 工作电压与静态平均位移
7.4.2 频率特性
7.4.3 时域动态响应
7.4.4 幅频响应特性
7.4.5 系统影响因素分析

第8章 谐振式压力传感器敏感性分析
8.1 灵敏度近似计算方法
8.1.1 压力膜弯曲
8.1.2 灵敏度分析
8.1.3 灵敏度影响因素分析
8.2 不同结构谐振式压力传感器
8.2.1 固支结构
8.2.2 跳板结构
8.2.3 半岛结构
8.3 改进的灵敏度计算方法
8.3.1 半岛结构压力应力关系分析
8.3.2 灵敏度解析式的推导
8.4 两种方法的比较

第9章 静电微泵泵膜的振动分析
9.1 静电微泵的模型及泵膜的振动方程
9.2 泵膜的自由振动
9.3 泵膜在偏置电压下的静态位移
9.4 防止静电吸合的条件
9.5 微泵机电流体耦合动力学模型及压膜阻尼
9.6 偏置电压下泵膜的振动方程
9.7 偏置电压下泵膜的自由振动
9.7.1 自由振动微分方程的求解
9.7.2 频率特性
9.7.3 广义坐标
9.8 偏置电压下泵膜的受迫振动
9.8.1 受迫振动微分方程的求解
9.8.2 接近共振的受迫振动
9.8.3 远离共振的受迫振动
9.9 实例计算及分析
9.9.1 系统结构参数
9.9.2 泵膜静态位移分析
9.9.3 泵膜的自由振动分析
9.9.4 泵膜接近共振的受迫振动分析
9.9.5 泵膜远离共振的受迫振动分析

第10章 微泵流量分析
10.1 无阀微泵的工作原理
10.2 扩散口和收缩口的性能分析
10.3 微泵流量分析
10.3.1 阻尼比的确定
10.3.2 流量计算
10.3.3 瞬时流量计算
10.4 微泵流量影响因素分析
10.4.1 远离共振
10.4.2 接近共振
10.4.3 流量影响曲线
10.4.4 结果分析

第11章 微泵结构参数的优化
11.1 优化设计的数学模型
11.2 静电微泵优化问题的简化
11.3 静电微泵的优化
11.4 ANSYS仿真分析
11.4.1 泵膜自由振动模态仿真
11.4.2 泵膜结构静电耦合变形仿真

第12章 静电驱动微板动力学实验
12.1 实验测试原理
12.2 微动实验平台的设计与制造
12.2.1 主要设计要求
12.2.2 结构设计
12.3 简谐激励下微板动力学实验
12.3.1 共振区域检测
12.3.2 微板动力学实验
12.3.3 实验结果与理论值分析比较
参考文献

精彩书摘

　　《微机电耦合动力学》：
　　（4）微组装、微封装、微集成和微测试技术。微组装技术到目前为止还被认为是比较难的或至今尚未很好解决的关键技术，有待于进一步研究。目前主要的方法仍是将加工和组装一体化，即从元器件到产品要经过微电子线路、微电子器件、MEMS、完整系统四个层次的组装。组装之后需要对微机电系统封装，微封装方法有阻尼控制封装、多芯片封装、硅一玻璃的静电封装等，这些也是MEMS关键技术之一。微系统集成主要涉及微传感器、微执行器与控制单元的集成。目前，多传感器系统、多层信息处理系统等的发展使传感器、执行器和微电子接口有机地结合成新型MEMS器件。MEMS器件的测试比集成电路器件复杂得多，后者通过加电方式批量测试，而前者不仅要测试电气性能，还要测试模拟各种物理环境下的振动、加速度、惯性等机械特性。测试内容包括材料性能测试、加工工艺参数测试、功能测试等。缺乏自动化的测试设备给批量测试带来了很大的挑战。
　　微型机电系统不是传统机械或电子系统简单的几何缩小。当结构尺寸达到微米甚至纳米尺度以后会产生许多新的物理现象。因此，MEMS与传统的宏观尺寸的机械或电子系统在建模与仿真上存在很大差别。在进行MEMS分析时会遇到一些新问题，归纳起来有以下几点。
　　（1）多物理场的耦合。MEMS技术的发展趋势是多学科的交叉渗透，涉及微机械学、微电子学、微光学及微材料力学等。各种物理场，如热、光、流体、电磁和机械场等相互作用，使得MEMS的分析变得复杂，多物理场的耦合是MEMS分析面临的主要问题。
　　（2）材料特性的变化。材料尺寸小到一定程度时，其尺寸效应就会表现出来，出现了与大尺寸材料截然不同的性能。除了尺寸效应外，由于MEMS器件的制备方法与大尺寸零件不同，引起了材料性能的差异，如抗拉强度、断裂韧性和残余应力等均有变化。此外，MEMS的多物理场耦合特性也使得描述材料参数时变得困难。因此，MEMS的材料和大尺寸材料即使在构成元素上相同，也应认为它们是完全不同的材料。
　　（3）依赖快速有效的算法及高性能的计算机。由于MEMS器件是复杂的三维结构，且敏感元件与整体部分的几何尺寸往往相差几个数量级，加之MEMS的多物理场耦合特点，使得MEMS的分析计算量极大，不仅耗时长，而且要求较大的内存，因此要求快速有效的算法和高性能的计算机。有时不得不通过简化和降阶的方法才能完成计算。
　　（4）原子尺度模拟。MEMS的敏感元件尺寸有时在亚微米量级或更小，在这种尺度下，连续介质的理论不再适用或使用连续介质的方法不能得到满意的结果，这时就要采用原子尺度的建模仿真方法来获得准确的仿真结果。
　　……

前言/序言

机械系统非线性动力学与振动控制 作者： [此处填写作者姓名] 出版社： [此处填写出版社名称] 出版日期： [此处填写出版日期] --- 内容简介 本书深入探讨了复杂机械系统中普遍存在的非线性动力学行为、耦合振动现象及其先进的振动控制策略。全书基于严谨的理论分析和丰富的工程实例，旨在为读者提供一个全面、深入且实用的非线性系统动力学知识体系。 随着现代工程对系统性能、可靠性和小型化要求的不断提高，传统的线性系统模型已难以准确描述和预测复杂机械设备（如高速旋转机械、大型结构、精密仪器等）的工作状态。本书重点聚焦于机械系统中的非线性特性，包括由摩擦、间隙、弹性元件的非线性刚度、以及结构几何非线性引起的振动行为，并通过系统的分析方法揭示这些非线性如何导致复杂的动力学现象，例如跳振、多周期振动、混沌、以及软/硬激励下的响应变化。 全书结构清晰，从基础理论出发，逐步深入到高级分析方法和工程应用。 第一部分：非线性动力学基础与建模 本部分首先回顾了经典力学和振动学的基本原理，随后详细介绍了构建非线性动力学模型的关键技术。重点内容包括： 1. 非线性系统的数学描述： 阐述了引入非线性项的微分方程形式，重点分析了迟滞、库仑摩擦、间隙约束等常见非线性源的数学表征。 2. 自由振动分析： 探讨了如何确定非线性系统的平衡点、极限环，并利用相平面分析法对低阶系统进行定性研究。对于高阶系统，则侧重于多尺度法、平均场法等近似解析方法，用以揭示振动幅值和频率随参数变化的规律。 3. 强迫振动与非线性共振： 详细分析了外部激励（如周期性或随机激励）作用下非线性系统的响应特性。特别关注了非线性频率响应曲线的特性，如存在“弯曲”现象，以及如何理解和利用跳振（Jump Phenomenon）的发生条件。 第二部分：系统耦合振动分析与稳定性 现代机械设备往往由多个部件或子系统通过力、能量、或信号进行交互作用。本部分着重于分析系统内部或系统间的能量交换和相互影响。 1. 多自由度非线性系统： 扩展到具有多个关联自由度的系统，讨论模态耦合与非线性能量转移。分析了不同振动模式之间如何通过非线性项相互影响，导致能量在不同频率成分间持续或间歇地转移。 2. 参数激励与稳定性分析： 探讨了系统参数（如刚度、阻尼）随时间周期性变化的系统，即参数激励系统的动力学特性。引入Floquet理论对系统的稳定性进行严格判断，识别出系统的参数共振区（Mathieu区），并解释了这些现象在旋转机械不平衡、结构受力变化等工程问题中的体现。 3. 随机激励下的非线性响应： 考虑实际工况中随机扰动的影响，介绍随机平均法和Fokker-Planck-Kolmogorov（FPK）方程在非线性随机系统中的应用，用以评估系统在高频噪声下的长期行为和可靠性。 第三部分：先进振动控制理论与技术 基于对非线性动力学特性的深入理解，本书提出了多种针对性强的振动抑制与控制策略，旨在实现对复杂系统振动的精确调控。 1. 非线性振动抑制方法： 介绍了调谐质量阻尼器（TMD）的非线性优化设计，探讨了如何利用负刚度或负阻尼元件来拓宽或改变系统的振动响应特性。深入讨论了自适应控制在跟踪时变非线性系统方面的应用。 2. 反馈控制与混沌控制： 重点阐述了状态反馈和输出反馈在线性/非线性系统中的设计，特别是如何利用Lyapunov稳定性理论来设计鲁棒的控制器。对于系统进入混沌状态的情况，介绍了PPD控制（基于周期性扰动）和OGY方法等有效的混沌控制技术，旨在将系统状态导向期望的周期轨道。 3. 智能控制与优化： 涵盖了基于智能算法的振动控制，如遗传算法（GA）和粒子群优化（PSO）在寻找最优控制参数和抑制非线性振动方面的应用。同时，探讨了模态解耦与振动隔离在复杂机械系统中的集成设计。 本书特点： 深度与广度并重： 内容覆盖了从基础非线性建模到高级控制策略的完整链条。 理论与工程结合： 每一理论分析后都辅以相关的机械工程、土木工程或航空航天领域的实际案例，增强可理解性和应用价值。 数学工具完备： 提供了进行高阶非线性系统分析所需的必要数学工具和计算方法。 本书适合高等院校机械工程、力学、航空航天、控制科学等专业的研究生、高年级本科生作为教材或参考书，同时也为从事振动、可靠性、结构动力学设计与分析的工程技术人员提供了宝贵的参考资料。通过研读本书，读者将能掌握分析和解决复杂机械系统中的非线性振动问题的核心能力。

评分☆☆☆☆☆

刚看到《微机电耦合动力学》这个书名，我的脑海里立刻勾勒出一幅画面：无数微小的齿轮、弹簧、悬臂梁在纳米尺度上精准地咬合、振动，它们之间不是孤立的存在，而是像一个精密的生物体，相互牵制，又相互促进，共同完成着某种特定的任务。我一直对科学研究中的“系统性”和“整体观”着迷，而微机电系统（MEMS）正是这种理念的绝佳体现。这本书的标题直接点明了“耦合动力学”这个关键主题，这让我产生了极大的兴趣。我好奇的是，当这些微小的机械部件之间存在能量、动量或信息的传递时，它们的运动规律会发生怎样的变化？是否会有共振、阻尼、非线性效应等更为复杂的动力学现象出现？我特别想知道，书中是否会深入探讨这些耦合效应如何影响MEMS器件的性能，例如传感器的精度、执行器的响应速度，甚至是系统的稳定性。如果能看到一些实际案例的分析，比如微流控芯片中液体的流动与结构振动的耦合，或者惯性传感器中质量块与压电梁的耦合，那就更好了。这本书的名字本身就充满了科学的严谨性和探索的吸引力，我预感它将是一本能够深入理解MEMS技术本质的必读之作。

评分☆☆☆☆☆

《微机电耦合动力学》——这个名字一出现，就让我联想到了那些精密得令人难以置信的微型仪器，它们如同人类身体里的细胞或器官一般，各自承担着独特的职能，又协同运作，构成一个复杂的整体。我一直以来都对工程技术中那些“化繁为简，以小见大”的设计哲学感到由衷的钦佩，而MEMS技术无疑是其中的佼佼者。书名中的“耦合动力学”更是抓住了核心，我一直在思考，当这些微观的机械结构在工作时，它们彼此之间的影响有多大？是像几台独立的机器，各自运行，还是会像潮水一样，此起彼伏，相互影响，甚至产生新的、更复杂的动力学行为？我尤其想知道，作者是否会深入浅出地讲解这些耦合效应在实际MEMS器件设计中的体现，例如，一个微型麦克风在接收声音时，其振膜的振动是否会反过来影响内部的电子电路，或者一个微型陀螺仪的旋转运动如何与传感器的电信号耦合。如果书中能提供一些具体的数学模型和仿真方法，来量化这些耦合效应，那就更是一大惊喜。这本书的名字让我充满了对微观世界里复杂运动规律的期待，我想它一定能帮助我更深刻地理解MEMS技术的精髓。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就很有分量，“微机电耦合动力学”，光是这个名字就让我联想到那些精密复杂的微型设备，它们内部的运动原理一定充满着令人着迷的奥秘。我一直对那些我们肉眼几乎看不见的机械系统如何协同工作，产生出令人惊叹的功能感到好奇。想象一下，传感器如何感应外界的细微变化，然后通过内部微小的机械结构进行信号转换和传递，最后执行相应的指令，这整个过程无疑是工程学的智慧结晶。我特别感兴趣的是，当多个微型部件的运动相互影响时，会产生怎样的动力学效应？是简单叠加，还是会涌现出意想不到的复杂行为？书名中的“耦合”二字，恰恰点出了这种相互作用的本质，这使得我迫切地想要了解其背后的数学模型、物理原理，以及如何对其进行分析和预测。这本书或许能够为我揭示微机电系统设计的核心挑战，以及如何克服这些挑战，创造出更高效、更可靠的微型器件。我期待这本书能带我进入一个充满微观奇迹的世界，让我领略工程学的精妙之处，并或许能激发我对未来微机电技术发展方向的思考。

评分☆☆☆☆☆

当我在书架上瞥到《微机电耦合动力学》这个书名时，我的好奇心瞬间被点燃了。我对那些能够实现如此精妙功能的微型机械装置一直充满敬畏，而“耦合动力学”这个词组更是直接触及了问题的核心。我一直在想，在一个如此微小的空间里，当各种机械部件相互作用时，它们的运动轨迹和状态会如何受到彼此的影响？是不是存在一些我们平时难以察觉的、但至关重要的能量传递和反馈机制？这本书的标题暗示了它将深入探讨的正是这些相互作用的奥秘，这让我非常期待。我非常希望书中能够解释清楚，这些耦合效应是如何影响MEMS器件的整体性能，比如，微型致动器在施加外力时，其自身的振动是否会影响其精准度，或者微型传感器在监测某一物理量时，其内部结构的微小形变是否会与其他组件产生连锁反应。如果作者能够通过生动的图示和清晰的逻辑，为我揭示这些复杂动力学背后的原理，并介绍一些分析和优化这些耦合效应的方法，那将是非常宝贵的知识。这本书的名字本身就充满了科学的吸引力，我预感它将是我了解MEMS技术深层运作机制的一把金钥匙。

评分☆☆☆☆☆

《微机电耦合动力学》——这个书名本身就散发着一种精密、前沿的科技气息。我一直对微机电系统（MEMS）在现代科技中的广泛应用感到惊叹，从智能手机中的传感器到医疗领域的微型手术器械，它们的身影无处不在。然而，我常常思考，这些微小器件是如何实现如此复杂的运动和功能的？特别是“耦合动力学”这个概念，它直接点出了我一直以来感兴趣的核心：当微小的机械部件相互作用时，它们之间的运动是否会相互影响，产生连锁反应？我渴望了解，在这种微观尺度下，能量、动量和信息是如何在不同的机械元件和电信号之间传递和转化的。这本书的标题让我期待，它能深入浅出地阐述这些耦合效应的物理机制，并且或许能提供一些分析和设计MEMS器件时，如何考虑和利用这些耦合效应的具体方法。我特别想知道，当这些耦合效应被有效利用时，能否实现更强大的功能，或者当它们不被妥善处理时，又会对器件的性能造成怎样的负面影响。这本书的名称预示着它将是一次深入微观世界动力学奥秘的旅程，我迫不及待地想要翻开它，去探索那些肉眼看不见的精密运动。