微/纳机电系统和微/纳传感器中的力学
课程编码：1801010801I0P1002Y
英文名称：Mechanics of MEMS/NEMS and Micro/Nano Sensors
课时：60
学分：3.00
课程属性：学科核心课
主讲教师：张吟
教学目的要求
由于微/纳机电系统（MEMS/NEMS）结构的尺寸为微纳米级，导致其面积-体积比极大。在宏观结构中被忽略的表面/界面效应在微/纳机电系统中就凸显出来了，甚至会起到主导的作用，如范德华力，静电力、粘附力、毛细力和卡西米尔力等。本课程的核心就是微纳米力学，即在微/纳米结构的研究中强调表面/界面和尺度效应。微/纳机电系统最大的用途就是传感器。教学目的和要求就是通过微纳米力学的学习，让学生掌握相关微纳米传感器的工作和设计原理，并对其加工、封装工艺，失稳和失效有所了解。
预修课程
无
大纲内容
第一章 Introduction: MEMS, Their Features, and Modeling Challenges 3.0学时 张吟
第1节 What Are MEMS and Why They Are Attractive?
第2节 Why We Need Modeling and Simulation Tools?
第3节 Challenges of MEMS Modeling and Simulations
第4节 Coupled-Field MEMS Phenomena
第5节 Fabrication of MEMS/NEMS
第6节 The State-of-the-Art of MEMS Modeling and Simulations
第二章 Vibrations of Lumped-Parameter Systems 5.0学时 张吟
第1节 Free Vibration of Single-Degree-of-Freedom (SDOF) Systems
第2节 Forced Harmonic Excitation of SDOF Systems
第3节 Vibrating MEMS Gyroscopes
第4节 Base Excitations of SDOF Systems and Accelerometers Principles
第5节 Response of SDOF Systems to Arbitrary Excitation
第6节 Vibrations of Two-Degree-of-Freedom Systems
第7节 MEMS Band-Pass Filters
第三章 Sensing and Actuation in MEMS 5.0学时 张吟
第1节 Electrothermal Actuation
第2节 Piezoelectric Actuation and Detection
第3节 Electromagnetic and Magnetic Actuation
第4节 Piezoresistive Detection
第5节 Electrostatic Actuation and Detection
第6节 Resonant Sensors
第7节 Energy Harvesters (from Magrab’s Textbook)
第四章 Microbeams and Atomic Force Microscopes 25.0学时 张吟
第1节 The Linear Equation of Motion
第2节 The Static Response
第3节 Residual Stresses and Nonideal Supports of Cantilever Microbeams
第4节 Natural Frequencies and Mode Shapes
第5节 The Effect of Axial Load on the Natural Frequency and the Buckling Limit
第6节 The Orthogonality of Mode Shapes
第7节 Forced Vibrations and Modal Analysis
第8节 A Nonlinear Model of Beams with Midplane Stretching
第9节 Other Nonlinear Models of Beams
第10节 The Galerkin Discretization and Reduced-Order Modeling
第11节 Reduced-Order Model of Beams Under Electrostatic Force
第12节 The Static Behavior of Beams Under Electrostatic Force
第13节 The Natural Frequencies Under Electrostatic Force
第14节 Pull-in Time of RF Switches
第15节 Resonators Under AC + DC Excitation
第16节 Atomic Force Microscopes
第17节 Beams Under Capillary Forces and Stiction Failure
第18节 Coupled-Field Damping of Beams
第五章 Nonlinear Dynamics of MEMS/NEMS 20.0学时 张吟
第1节 Nondimensionalization
第2节 Fixed Points and Linearization
第3节 Bifurcations of Fixed Points
第4节 Phase Portraits
第5节 Primary Resonance and Subharmonic Resonance
第6节 Basin of Attraction Analysis
第7节 Remarks on Resonant Dynamic Pull-in
第8节 Mass Detection Application
第六章 Final examination 2.0学时 张吟
第1节 Final examination
教材信息
1、
MEMS Linear and Nonlinear Statics and Dynamics
Younis
2011年10月
Springer
参考书
1、
Foundation of Nanomechanics: From Solid-State Theory to Device Applications
Cleland
2003年1月
Springer
2、
Vibrations of Elastic Systems With Applications to MEMS and NEMS
Magrab
2012年1月
Springer
3、
Mechanics of Microelectromechanical Systems
Lobontiu and Garcia
2005年1月
Kluwer Academic Publishers
4、
Fundamentals of Nanomechanical Resonators
Schmid, Villanueva and Roukes
2016年1月
Springer
5、
Piezoelectric Energy Harvesting
Erturk and Inman
2011年1月
Wiley
课程教师信息
张吟, 1997年获北京大学力学系理学学士学位，2003年获国康涅狄格大学机械工程系博士学位。2003年至今，历任中国科学院力学研究所所非线性力学国家重点实验室助理研究员，副研究员，研究员及国科大工程科学院岗位教授。长期从事MEMS/NEMS及微纳米传感器的力学研究。相关研究工作荣获2014年度国家自然科学二等奖（项目名称“微纳系统中表面效应的物理力学研究”）。在国科大讲授研究生《高等结构动力学》和本科生《理论力学》，两门课被多次评为院级和校级优秀课程，荣获2019年中国科学院“朱李月华优秀教师奖”和2020年国科大教育教学成果二等奖。担任《中国大百科全书：力学卷》编委，协助编撰固体/生物/材料力学相关的条目。