●前言
第1章緒論1
1.1諧振器概況1
1.1.1諧振現像1
1.1.2基本特征與分類2
1.2MEMS/NEMS技術概述3
1.2.1MEMS技術4
1.2.2NEMS技術8
1.3MEMS/NEMS諧振器技術發展歷程10
1.3.1MEMS諧振器技術11
1.3.2NEMS諧振器技術13
1.3.3NEMS諧振器的量子極限15
1.4MEMS/NEMS諧振器技術基礎16
1.4.1結構設計技術16
1.4.2微納加工技術18
1.4.3非線性現像與效應18
1.4.4耗散與阻尼機制19
1.4.5激勵與檢測技術20
1.5MEMS/NEMS諧振器技術應用及前景20
1.5.1智能傳感21
1.5.2信息通信30
1.5.3生物醫學34
1.5.4航空航天36
1.5.5量子技術40
1.5.6發展前景41
參考文獻44
第2章諧振原理與結構設計52
2.1概述52
2.2諧振原理52
2.2.1彎曲振動52
2.2.2扭轉振動55
2.2.3縱向振動56
2.2.4機電模型58
2.3動力學設計與性能參數59
2.3.1諧振頻率59
2.3.2品質因子62
2.3.3動態範圍64
2.4諧振結構動力學設計與器件69
2.4.1梳齒結構70
2.4.2梁式結構73
2.4.3弦線結構79
2.4.4薄板結構83
2.4.5薄膜結構87
2.4.6球殼結構92
2.4.7扭轉結構96
2.4.8通道式諧振結構97
參考文獻101
第3章諧振器件材料與加工工藝107
3.1概述107
3.2硅基材料107
3.2.1單晶硅108
3.2.2多晶硅108
3.2.3無定形硅109
3.3硅化合物110
3.3.1二氧化硅110
3.3.2氮化硅111
3.3.3碳化硅112
3.4低維材料113
3.4.1碳納米管113
3.4.2納米線117
3.4.3石墨烯118
3.4.4二硫化鉬121
3.5壓電材料124
3.5.1機電耦合繫數125
3.5.2氮化鋁薄膜126
3.5.3PZT壓電薄膜127
3.5.4氮化鎵130
3.5.5鈮酸鋰132
3.6聚合物材料134
3.6.1工藝材料134
3.6.2結構材料135
3.7金剛石材料137
參考文獻139
第4章非線性現像與動力學效應144
4.1概述144
4.2非線性因素145
4.2.1材料非線性145
4.2.2幾何非線性146
4.2.3驅動非線性147
4.2.4阻尼非線性148
4.3剛度硬化與軟化效應148
4.4雙穩態現像151
4.5吸合現像152
4.5.1靜電吸合效應153
4.5.2靜態吸合失穩155
4.5.3動態吸合失穩156
4.6對稱破缺現像158
4.6.1對稱破缺的力學模型158
4.6.2對稱破缺的作用機制159
4.7同步現像160
4.7.1耦合繫統中的同步現像161
4.7.2同步效應的作用機制162
4.8隨機共振現像164
4.8.1隨機共振實驗觀測164
4.8.2隨機共振機理165
4.9非線性模態耦合效應167
4.9.1模態耦合形式168
4.9.2模態耦合形成的力學機理171
4.9.3振幅飽和現像178
4.9.4內稟局域模179
4.9.5頻率梳183
4.10頻率穩定性187
4.10.1頻率波動的原因187
4.10.2頻率穩定性的作用機制189
參考文獻193
第5章能量耗散機理與阻尼技術199
5.1概述199
5.2能量耗散的基本定義與表征200
5.3熱彈性阻尼201
5.3.1滯彈性的基本概念與Zener耗散模型202
5.3.2LR熱彈性阻尼模型203
5.3.3微尺度薄板熱彈性阻尼特性209
5.4聲波-熱聲子相互作用220
5.4.1Akhiezer阻尼221
5.4.2Landau-Rumer阻尼223
5.5聲子-電子相互作用224
5.5.1谷內聲子-電子散射224
5.5.2谷間聲子-電子散射224
5.6耗散稀釋效應225
5.6.1弦的耗散稀釋226
5.6.2薄膜的耗散稀釋228
5.7空氣阻尼230
5.7.1滑膜氣體阻尼231
5.7.2壓膜氣體阻尼236
5.7.3稀薄空氣阻尼244
5.8液體黏滯阻尼246
5.8.1彎曲振動246
5.8.2扭轉振動248
5.9錨點損耗機制與結構設計250
5.9.1完美匹配層方法251
5.9.2彎曲模態諧振器支撐損耗253
5.9.3體模態諧振器支撐損耗261
5.10聲子隧道效應269
5.11表面耗散270
5.11.1表面層271
5.11.2表面化學效應273
5.11.3界面耗散物理機制276
5.11.4連續介質力學中的界面耗散277
5.11.5材料科學中的界面耗散278
5.11.6多層壓電體諧振器的能量損耗279
5.12兩能級繫統引起的能量耗散281
5.12.1兩能級繫統隧穿模型281
5.12.2兩能級繫統引起的諧振器能量耗散283
5.12.3品質因子測量286
參考文獻287
第6章振動激勵與檢測原理及技術294
6.1概述294
6.2振動激勵原理與技術294
6.2.1靜電激勵295
6.2.2電磁激勵299
6.2.3壓電激勵302
6.2.4介電激勵303
6.2.5熱激勵307
6.2.6光梯度力激勵313
6.3振動檢測原理與技術315
6.3.1電容檢測315
6.3.2壓電檢測317
6.3.3壓阻檢測318
6.3.4磁勢檢測321
6.3.5激光干涉檢測322
6.3.6單電子器件檢測323
6.3.7耦合諧振子檢測324
6.4振動激勵-檢測組合技術326
6.4.1靜電激勵-電容檢測327
6.4.2靜電激勵-壓阻檢測329
6.4.3電磁激勵-壓阻檢測330
6.4.4電熱激勵-壓阻檢測331
6.4.5光熱激勵-光學檢測333
6.5外圍接口電路繫統333
6.5.1開環檢測繫統334
6.5.2閉環自激繫統335
參考文獻336
第7章通道式MEMS/NEMS諧振器動力學設計與檢測技術340
7.1概述340
7.2通道式MEMS/NEMS諧振器檢測原理341
7.2.1顆粒性質檢測341
7.2.2流體性質檢測345
7.3流固耦合動力學設計348
7.3.1流固耦合動力學模型348
7.3.2諧振頻率356
7.3.3能量耗散358
7.4動力學響應及穩定性360
7.4.1動力學建模與求解360
7.4.2穩定性分析365
7.4.3諧振頻率分析368
7.4.4動態響應特性370
7.5測量誤差產生機制與校正方法372
7.5.1質量測量諧振器動力學模型373
7.5.2顆粒振動特性分析375
7.5.3測量誤差分析與校正378
參考文獻382
第8章弱耦合諧振器設計及傳感技術386
8.1概述386
8.2模態局部化機理386
8.3弱耦合諧振器動力學設計388
8.3.1弱耦合諧振器動力學模型388
8.3.2多自由度弱耦合諧振器件396
8.4諧振傳感器動力學設計401
8.4.1傳感機理401
8.4.2參數設計與性能分析403
8.4.3靈敏度調節406
8.5諧振傳感器加工工藝與模態特性408
8.5.1器件加工工藝408
8.5.2器件模態特性411
8.6諧振傳感器性能417
8.6.1幅頻響應特性418
8.6.2傳感器靈敏度420
8.6.3傳感器分辨率423
參考文獻423
第9章失效分析與可靠性技術426
9.1概述426
9.2失效模式與失效機理426
9.2.1斷裂失效427
9.2.2疲勞失效429
9.2.3黏附失效432
9.2.4分層失效442
9.2.5吸合損傷444
9.2.6輻射效應444
9.3測試結構與壽命評估技術446
9.3.1疲勞測試技術447
9.3.2斷裂測試技術451
9.4環境載荷下器件可靠性456
9.4.1振動可靠性457
9.4.2衝擊可靠性461
9.4.3溫度可靠性465
9.4.4濕度可靠性468
參考文獻470

本書主要介紹微/納機電繫統(MEMS/NEMS)諧振器動力學設計理論、分析方法及應用技術。全書共9章，主要內容包括：MEMS/NEMS技術基礎和MEMS/NEMS諧振器技術的發展歷程與發展趨勢；諧振器的工作原理、諧振結構設計理論及分析技術；諧振器件制備涉及的材料、微納加工工藝及技術；諧振器中存在的豐富非線性現像和復雜動力學行為；微納尺度下的能量耗散理論、阻尼特性、作用機制及測試方法；諧振器中應用的各種振動激勵與檢測原理及技術；通道式MEMS/NEMS諧振器檢測原理、動力學設計與分析技術；微納尺度下諧振器件的模態弱耦合作用機制、諧振器設計及傳感技術；諧振器中存在的典型失效模式與失效機理，以及多種可靠性評估方法和測試技術。