毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
1、研究目的与意义
1959年美国学者Richard P. Feynman（物理学家、诺贝尔奖获得者）进行了There's Plenty of Room at the Bottom的重要演讲，第一次提出了微型机械的构想[1]，开启了对微机电系统（MEMS：Microelectromechanical Systems）的深入研究。从被提出至今几十年的时间里，MEMS不但自身取得了飞速的发展，同时也形成了多学科交叉的高科技技术[2]，其内容涉及到材料学、微光学、微电子学、生物学、物理学、化学、航空航天、信息通信等诸多学科领域。虽然MEMS已成为21世纪富于挑战性的科技领域，但时至今日，国际上仍未对MEMS给出统一的定义，各国对MEMS的定义各不相同。从广义上讲，MEMS是指特征尺寸介于微米和毫米之间的一类微系统。微系统有两个显著的特点[3]：一是尺度效应所带来的微科学问题（微材料学、微力学、微制造学、微电子学、微光学、微化学等）；二是多能域耦合所导致的多学科交叉问题（机、电、磁、热、光、声、化学、生物学的集成与信息的多重耦合）。
MEMS的动力学行为主要是基于对微系统以上两个特点方面的研究：一是由于微尺度引起的表面效应，这使得微系统中出现了十分突出的摩擦和接触问题。这些问题不仅对微系统建模、设计、控制和制造有着显著影响，而且也是摩擦学的重要研究领域之一。作为MEMS中的一类典型问题，对微尺度接触的研究证明当特征尺度减小到一定范围时，将出现许多无法利用传统宏观接触理论解释的现象，如接触突跳等。二是微系统中多种运动微结构承受着各种阻尼，包括来自空气的阻尼、结构的阻尼、温度变化带来的阻尼等。这些会使得MEMS出现非线性振动、混沌、分支、分形、自组织等行为。另外，随着微系统高精密化和复杂化的超速发展，对微系统动力学的研究提出了越来越多新的要求。因此，对微系统的动力学研究具有重大的理论和现实意义。
2、MEMS动力学研究现状
国际上对MEMS动力学的研究起步较晚，其动力学研究领域存在着许多科学问题[3-5]，首当其冲的就是MEMS的动力学建模和分析。
2.1、动力学建模
由于微尺度的存在，特征长度产生尺度效应，这使得与其他系统建模相比，MEMS的动力学建模更加具有特殊性。对于微米或毫米级的MEMS，动力学模型的建立仍然能够以牛顿力学理论作为主要依据，但针对纳观的MEMS，适用于宏观力学系统的牛顿力学理论可能会失去作用，取而代之的是量子力学理论成为建模依据。MEMS装置含有多重耦合能域和介质，因此只能用非线性时变微分方程来描述函数特性。为了快速、精确的模拟出系统特性，一般会建立一种包含原系统偏微分方程中信息的降阶动力学模型，称作宏模型。
建立MEMS宏模型基本过程是：首先划分复杂的MEMS为多个子系统和组件，分别建立这些子系统和组件的宏模型，再将各个部分的宏模型连接成系统模型。下图展示了常见的宏模型建立方法 [6-7]。为了进一步增强建模方法的实用性，研究者往往在实际应用过程中，结合宏模型的计算机辅助生成技术（如SOLIDIS，MEMS Pro，CoventorWare，IntelliCAD等等）。
与利用偏微分方程建模的方法相比，集总参数模型用常微分方程，通过相对简单的方法就能够得到微系统动力学的主要特征，从而也成为微系统建模中较为常用的建模方法。例如：陈世辉[8]使用集总参数的等效电路方法对系统组件模型进行表达，利用能量变分法建立了机、电两系统端口变量之间关系的基本方程，给出了机械变量与电域变量的转换矩阵，从而建立了等效电路模型；[9]有效分离了微机械陀螺中静电、结构、空气阻尼等物理域，在分别对各域进行数值模拟的过程中提取相应的物理参数，建立了集总参数模型，对不同条件下微机械陀螺的行为特性进行了准确地评估。
2.2、动力学分析
目前，在MEMS动力学行为的研究领域中，进行的较多的是针对不同微机电结构建模并提出相对应的分析和模拟方法。随着MEMS的深入发展，其动力学问题已经引起人们的广泛关注。例如，从动力学角度去分析和设计微发动机中的运动部件、微惯导仪器是必须的步骤。在对这方面的初步研究中，学者们发现了以下若干值得注意的问题。
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