微機電系統機械學（簡體書）

《清華大學微機電系統工程系列教材：微機電系統機械學》系統論述了微機電系統的力學原理基礎及其規律，內容主要針對機械系統的特徵尺度降低到微米和納米量級時出現的主導作用力及各種微觀效應。本書取材前沿，較全面地反映了微機電系統中的力學基礎問題。
全書共6章，根據自2005年9月起在清華大學精密儀器與機械學系全國首次開設的“微機電系統工程”專業的專業基礎課講義改編而成。《清華大學微機電系統工程系列教材：微機電系統機械學》重點揭示了微機電系統的表界面效應、微尺度表面力的來源與作用規律、微構件在各種微尺度表面力作用下的變形、接觸與運動規律，以及微納米間隙和管道中的流體特性、驅動原理和流動規律，並結合典型的微機電系統闡述了應用實例。
經過多年的教學實踐和科研積累，《清華大學微機電系統工程系列教材：微機電系統機械學》可以作為微機電系統工程及相關專業本科生或者研究生教材，也可以作為從事微機電系統設計開發的研究生和科研技術人員的參考書。．

經過多年的教學實踐和科研積累，《清華大學微機電系統工程系列教材:微機電系統機械學》可以作為微機電系統工程及相關專業本科生或者研究生教材，也可以作為從事微機電系統設計開發的研究生和科研技術人員的參考書。《清華大學微機電系統工程系列教材:微機電系統機械學》由張向軍編著。

0 引子
參考文獻

1 微機電系統機械學問題概述
1.1 什麼是微機電系統
1.2 為什麼發展微機電系統
1.3 微尺度機械的微觀效應簡述
參考文獻

2 微系統的表面與界面
2.1 固-液體的表面
2.1.1 表面的定義
2.1.2 固體表面
2.1.3 液體表面
2.2 固液界面與固液接觸角
2.2.1 固液界面
2.2.2 固液接觸角
2.2.3 接觸線張力
2.3 粗糙表面的固液接觸角
2.3.1 Wenzel模型與Cassie模型
2.3.2 固體表面的微納結構與親疏水性質
2.3.3 粗糙表面的接觸角滯後——花瓣效應與荷葉效應
2.4 彎液面的毛細作用
參考文獻

3 微納尺度作用力
3.1 微納尺度基本力
3.1.1 基本力
3.1.2 電磁力與物質的組成和性質
3.1.3 極性分子和偶極矩
3.1.4 分子極化與極化強度
3.2 分子之間的范德華力
3.2.1 Keeson作用勢
3.2.2 Debye作用勢
3.2.3 色散力作用勢
3.2.4 Lennard-Jones勢
3.3 表面間的范德華作用力
3.3.1 微觀顆粒之間的范德華作用力
3.3.2 介質中兩個微粒子的范德華作用力
3.4 表面間的靜電力
3.5 微間隙表面間的液橋力作用
3.5.1 光滑表面之間的液橋力
3.5.2 粗糙表面之間的液橋力
3.5.3 表面間液橋力的實驗研究
3.6 微納尺度作用力的測量
3.6.1 表面力儀
3.6.2 掃描隧道顯微鏡
3.6.3 原子力顯微鏡
3.6.4 原子力顯微鏡中的力曲線
參考文獻

4 MEMS微構件的變形與振動
4.1 典型微構件的變形
4.1.1 微梁構件的彎曲變形
4.1.2 薄板構件的彎曲變形
4.1.3 典型微構件的扭轉變形
4.2 典型微構件的單自由度振動
4.2.1 振動方程的建立
……
5 微機械運動表面的接觸、黏著與潤滑
6 微尺度流動
附錄A 實驗內容與安排
附錄B 試卷樣題
後記．

1985年Binning，Quale和Gerber突破掃描隧道顯微鏡只能觀測導體表面的不足，發明了原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）。其本質改變是，采用對微弱表面力作用非常敏感的微懸臂梁的變形關系與光學信號來代替對表面間隙十分敏感的隧道電流。正如在3.6.2節介紹的那樣，隧道電流大小隨表面間距變化以指數級的規律衰減。而納米級尖細針尖與表面之間的表面力（或者范德華力）隨表面間距的4次方規律衰減。如果采用變形對表面力十分敏感的力敏單元，就可以分辨出表面形貌導致的表面間隙的微小起伏。所以原子力顯微鏡的核心是對微弱力非常敏感的彈性懸臂梁及其納米級尖細的針尖，以保證對樣品表面納米級形貌起伏的分辨率。
隨著微納米器件制備工藝的發展，可以采用微電子工藝制作細長的多晶硅懸臂梁作為力敏單元，懸臂梁納米級的尖細針尖，通常是SiO2或氮化硅材料。作用在針尖處的表面力引起微懸臂梁的彎曲變形，可以采用電容法、光學方法等拾取其端部的變形轉角或者撓度，進一步推算出針尖處表面力的大小。目前多采用激光束聚焦在懸臂梁端部的背面，采用光電二極管記錄反射光束的偏斜量。該反射光束的偏移量對應梁端部的變形量，再轉換成光電信號，進行輸出。這樣，懸臂梁端部微小的變形可以經過光路放大為電信號輸出。
由光電二極管直接獲取的是變形的電壓信號，還需要進行轉換，以獲得針尖與樣品表面之間的表面力信號。換算方式如下，表面力（N）=懸臂梁的力常數（N/m）×光路靈敏度（m/V）×光電信號（V）可見，未經換算標定的AFM的直接輸出是電壓單位伏特（V）。
同時，當懸臂梁在壓電陶瓷的驅動下掃描過樣品表面，掃描范圍內的形貌起伏等信號都可以通過光電管記錄并獲得。
通常探針掃描方式采用所謂的恒力模式。首先，針尖和樣品趨近、接觸、直至探針懸臂的撓曲程度達到設定（set point）值。通過反饋電路控制壓電驅動器，調整懸臂的豎直位置以保持針尖和樣品之間的作用力恒定。隨后，針尖掃過樣品表面，懸臂的撓曲情況被光學探測系統記錄，并反饋至運算放大器的輸入級，和設定值比較得到偏差信號，再用于控制壓電驅動器的運動。恒力模式下，由于探針懸臂的撓曲程度為一定值，則壓電驅動器的運動軌跡反映了樣品表面的形貌起伏。
這種恒力掃描模式的主要缺陷在于，針尖與樣品產生接觸并使懸臂梁保持一定的撓曲程度，故針尖橫向移動時可能用側面劃傷樣品，或者使針尖自身損壞，在測量諸如聚合物或者生物材料等柔軟樣品時，有可能得到混亂的表面形貌。
隨著技術的進一步發展，AFM光路系統采用了四象限光電管，可以同時獲得針尖掃描表面時的橫向力信號（對應于摩擦力）。在此基礎上，如果在針尖上實現電信號或者磁信號的拾取，還開發出電化學顯微鏡、Kelvin磁力顯微鏡等。這些統稱為掃描探針顯微鏡（scan probe microscope，SPM）。