表面效应下微纳机电系统跨尺度动力学

【作者】 胡开明； 张文明； 孟光；

【机构】 上海交通大学机械与动力工程学院,机械系统与振动国家重点实验室；

【摘要】 微纳机电系统(MEMS/NEMS)是面向国家重大战略需求的多学科交叉融合高新技术,已在航空航天、军工电子、生物医学等领域有着重要的应用,是21世纪国际前沿研究领域之一。随着微纳技术向集成化、智能化、柔度化方向高速发展,MEMS/NEMS器件结构特征尺寸从百微米级减小到纳米级甚至亚纳米级,其比表面积急剧增大,呈现出丰富的多尺度(原子/分子-纳米-微米)、多机制(结构固有、分子吸附、热振动、紫外曝光等多源诱因)、多模式(表面弹性、表面应力、表面失稳等)表面效应,使器件表现出多模式跨尺度域交叉耦合、跨频域-跨尺度域多域耦合、光-热-力多物理场跨尺度耦合等更为复杂的跨尺度动力学问题,不仅严重制约了器件动力学性能进一步提高,也对传统动力学理论与方法提出了新的挑战。因此,构建表面效应下MEMS/NEMS结构跨尺度动力学理论不仅是微纳科学技术领域亟需突破的共性关键基础科学问题,也是推动动力学与控制学科向极端尺度系统发展的前沿学术方向。汇报人瞄准微纳机电系统跨尺度动力学基础科学问题,在MEMS/NEMS表面效应跨尺度形成机理、动力学作用机制、调控方法与设计理论方面,开展了表面效应下MEMS/NEMS器件跨尺度动力学理论与方法研究,解决了原子极端尺度器件力-光-热多物理场耦合跨尺度动力学调控与设计难题,实现了器件的关键光学性能大幅度跃升(将原有国际最高水平提升670%)。更多还原