基于修正偶应力理论的Timoshenko微梁模型和尺寸效应研究

基于修正偶应力理论,将Timoshenko微梁的应力、偶应力、应变、曲率等基本变量,描述为位移分量偏导数的表达式.根据最小势能原理,推导了决定Timoshenko微梁位移场的位移场控微分方程.利用级数法求解了任意载荷作用下Timoshenko简支微梁的位移场控微分方程,得到了反映尺寸效应的挠度、转角及应力的偶应力理论解.通过对承受余弦分布载荷Timoshenko简支微梁的数值计算,研究了Timoshenko微梁的挠度、转角和应力的尺寸效应,分析了Poisson比对Timoshenko微梁力学行为及其尺寸效应的影响.结果表明:当截面高度与材料特征长度的比值小于5时,Timoshenko微梁的刚度和强度均随着截面高度的减小而显著提高,表现出明显的尺寸效应;当截面高度与材料特征长度的比值大于10时,Timoshenko微梁的刚度与强度均趋于稳定,尺寸效应可以忽略;材料Poisson比是影响Timoshenko微梁力学行为及尺寸效应的重要因素,Poisson比越大Timoshenko微梁刚度和强度的尺寸效应越显著.该文建立的Timoshenko微梁模型,能有效描述Timoshenko微梁的力学行为及尺寸效应,可为微电子机械系统（MEMS）中的微结构设计与分析提供理论基础和技术参考.     

微通道冷却器的数值分析

微通道热沉是制作在硅芯片基底背面的微细通道,其水力直径范围为10～1 000 μm.微通道具有高表面积-体积比、低热阻、低流量等特点,是一种高效散热的解决方案.一个典型应用是激光二极管列阵的致冷.然而,微通道里流体的状态和传热与宏观状态相比有很大不同,有必要开展进一步研究.论文采用商业软件CoventorWareTM建立一个平板式微通道的有限元模型,据此对微通道中流体状态及传热进行了数值计算,获得了单个微通道中流场和温度的分布.结果表明,对于2 000 μm×50 μm×500 μm的微通道,能够对500 W/cm2的热通量快速散热,热阻仅有0.042 3 K/(W·cm-2).     

公寓建筑中自然通风的潜在利用

该研究旨在检验在公寓建筑中自然通风的潜在利用对机械通风系统换气率的影响，以便提出适当的关于换气率的建议，现场测量在13栋公寓单元进行．测量时住宅内外的压力差有所变化．采用实测数据，对4Pa压力差下的换气率提出预测，换气率在每小时0．18～0，41间变化．     

用于微电子机械系统封装的体硅键合技术和薄膜密封技术

对静电键合、体硅直接键合和界面层辅助键合等三种体硅键合技术，整片操作、局部操作和选择保护等三种密封技术，以及这些技术用于微电子机械系统的密封作了评述，强调在器件研究开始时应考虑封装问题，具体技术则应在保证器件功能和尽量减少芯片复杂性两者之间权衡决定。     

New Conserved Quantities of Noether-Mei Symmetry for Nonholonomic Mechanical System

Two new types of conserved quantities deduced by Noether-Mei symmetry of nonholonomic mechanical system are studied. The definition and criterion of Noether-Mei symmetry for the system are given. A coordination function is introduced, and the conditions under which the Noether-Mei symmetry leads to the two types of conserved quantities and the forms of the two types of conserved quantities are obtained. An illustrative example is given. The coordination function can be selected according to the demand for finding the gauge function, and the choice of the coordination function has multiformity, so more conserved quantities deduced from Noether-Mei symmetry of mechanical system can be obtained.     

具有齿轮—绳索机械系统动态力学特性的研究方法

建立了具有齿轮—绳索机械系统的离散—连续动态力学模型;应用“动态子结构方法”并引入“虚约束”的概念得到了该类力学模型的动态响应;最后,应用该方法进行了实例计算,计算结果表明,其计算精度高于对应的离散动态力学模型。     

平面欠驱动两杆柔性机械臂的全局稳定控制

针对平面欠驱动两杆柔性机械臂,该文提出一种新的控制策略,实现了机械臂的全局稳定控制目标。首先,为机械臂系统引入一个同胚坐标变换,将其变换为一个结构简单的新系统;然后,将新系统分离为线性和非线性2个部分,利用等价输入干扰的概念为新系统设计控制器,以实现新系统的全局稳定控制目标,并通过坐标变换的同胚性使原机械臂系统的全局稳定控制问题得以解决。该文所提控制方法仅需利用机械臂的位置量信息设计控制器,这不仅能降低控制系统成本,而且还能有效避免速度噪音对控制性能的影响。数值仿真结果显示,所提的控制策略在机械臂系统的稳定运动过程及稳定时间等性能方面,均能达到令人满意的控制效果。     

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。     

稀薄气体动力学: 进展与应用

简要回顾了稀薄气体动力学的发展历程; 重点介绍了该领域最近二三十年的主要进展, 这突出表现在分子模拟方法(DSMC 方法、信息保存方法等) 的迅速发展与成功应用; 概述了航天工业、真空技术、微机电系统等尖端技术中的稀薄气流问题, 以及最近几届国际稀薄气体动力学会议的主题. 在此基础上指出了学科前沿问题, 以及几个与实际应用有关的重大问题, 如过渡流区高超声速三维非平衡流场的精细预测和实验验证、热层大气的时空演化规律与探测、以气体为介质的微机电系统设计与优化、真空环境下原子水平的材料制备工艺的定量设计.     

静电激励MEMS微结构吸合电压尺寸效应研究

基于应变梯度弹性理论,研究了静电激励MEMS微结构吸合电压的尺寸效应。利用最小势能原理分别推导出含尺寸效应的一维梁模型和二维板模型的高阶控制方程。采用广义微分求积法和拟弧长算法对控制方程进行了数值求解。结果表明,随着结构尺寸的降低,新模型所预测的归一化的吸合电压呈非线性增长,表现出尺寸效应(特别是当结构尺寸与内禀常数在同一数量级时尺寸效应更加强烈);而相应的经典理论模型并不能预测此尺寸效应。两种新模型可视为相应经典理论的推广。本文有助于研究MEMS微结构的特性并对微结构的设计有潜在的应用价值。