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第1章 动力微机电系统（PowerMEMS）简介1

1.1 紧凑的便携式能源1

1.2 化学能源3

1.3 功率系统设计因素5

1.4 总结6

参考文献6

第2章 系统设计和器件综述7

2.1 简介7

2.2 热力学和尺度效应7

2.2.1 机械学尺度效应9

2.3 MEMS燃气轮机的设计概述10

2.4 轴承和转子动力学12

2.5 涡轮机械流体力学13

2.6 结构和材料15

2.6.1 材料15

2.6.2 结构设计15

2.7 燃烧16

2.8 发动机控制及配件18

2.8.1 发动机控制18

2.8.2 传感器18

2.8.3 燃料控制阀19

2.8.4 起动器-发电机20

2.9 发动机设计、元件集成、设计演进22

2.9.1 电动微马达-压缩机和涡轮机-发电机23

2.10 总结24

参考文献24

第3章 材料、结构和封装26

3.1 引言26

3.2 尺度效应与材料选择27

3.2.1 尺度效应27

3.2.2 材料选择27

3.3 室温下的强度设计28

3.3.1 力学测试28

3.3.2 结构设计29

3.4 高温下的强度设计31

3.4.1 硅的高温材料模型32

3.5 硅的碳化物在混合结构中的使用33

3.5.1 SiC/Si混合结构的机械特性34

3.5.2 SiC/Si混合结构的制作工艺35

3.5.3 机械测试结果37

3.6 封装39

3.7 总结41

参考文献41

第4章 微发动机的加工43

4.1 前言43

4.2 微发动机43

4.2.1 轴承测试台44

4.2.2 燃烧室44

4.2.3 涡轮增压机45

4.2.4 自激型发动机（SSE）45

4.3 微加工基础工艺46

4.3.1 微发动机材料47

4.3.2 光刻49

4.3.3 特殊光刻工艺53

4.3.4 湿法腐蚀工艺54

4.3.5 干法刻蚀工艺：反应离子刻蚀（RIE）55

4.3.6 深反应离子刻蚀（DRIE）55

4.3.7 熔融键合61

4.3.8 阳极键合64

4.4 微发动机的特有加工64

4.4.1 进气增压孔和喷嘴的制作65

4.4.2 转子释放方法69

4.4.3 径向轴承的工艺开发75

4.4.4 叶片加工过程85

4.4.5 键合工艺96

4.5 SSE的制作102

4.5.1 简介102

4.5.2 转子工艺：L3～L8103

4.5.3 L1和L1o的制作117

4.5.4 L2和L9的制作117

4.5.5 最终组装118

4.6 总结和展望120

参考文献121

第5章 微尺度旋转磁场机械的加工124

5.1 引言124

5.2 基本原理／结构125

5.3 微尺度磁力机械的挑战125

5.3.1 机械设计问题126

5.3.2 加工工艺问题127

5.4 线圈127

5.4.1 基本工艺128

5.4.2 多级线圈129

5.5 软磁体130

5.5.1 加工132

5.5.2 叠层133

5.6 硬磁体133

5.6.1 加工134

5.6.2 磁化137

5.7 多晶圆硅片的集成138

5.8 装置示例140

5.8.1 感应电机140

5.8.2 永磁体机143

5.9 总结146

参考文献147

第6章 微型涡轮机械中的高速气体轴承150

6.1 简介150

6.2 相关工作151

6.3 挑战和未知领域152

6.4 MEMS涡轮机械的转子动力学考虑154

6.5 静压气体径向轴承分析157

6.5.1 流体静力学模型158

6.5.2 流体动力学模型159

6.5.3 阻尼力模型160

6.5.4 建模的局限性160

6.5.5 超短静压气体轴承的比例准则161

6.6 超短径向气体轴承的涡动不稳定性166

6.6.1 涡动不稳定出现的简化原则166

6.6.2 不稳定流量对气体轴承动态行为的影响169

6.6.3 增强涡动稳定的轴承各向异性刚度176

6.7 静压推力气体轴承分析185

6.7.1 静压推力气体轴承的稳态特性模型187

6.7.2 转子倾斜对推力轴承性能的影响190

6.7.3 动态稳定性考虑198

6.8 环形密封203

6.8.1 环形平面密封的负径向刚度203

6.8.2 平面密封径向刚度模型204

6.8.3 环形迷宫密封模型206

6.9 试验考虑209

6.9.1 测试设备及诊断209

6.9.2 穿过固有频率和加速到高转速的运行策略212

6.9.3 高DN轴承运行实例214

6.10 设计内涵215

6.10.1 轴承各向异性的影响216

6.10.2 轴承性能和制造误差的关系216

6.11 总结218

参考文献220

第7章 热流体和涡轮机械223

7.1 绪论223

7.2 尺度的含义225

7.2.1 物理效应225

7.2.2 制造约束影响232

7.3 微型压缩机设计与分析236

7.3.1 宏观压缩机试验台——一个用于研究绝热微尺度压缩机性能的放大设备236

7.3.2 非绝热微型压缩机的性能246

7.4 微涡轮机的设计250

7.5 MEMS涡轮增压器251

7.5.1 设计251

7.5.2 结果253

7.5.3 燃气涡轮机测试255

7.6 总结256

参考文献257

第8章 发动机与发电机259

8.1 背景259

8.1.1 新颖之处260

8.1.2 相同之处265

8.1.3 电磁机械类型、属性和选择265

8.1.4 小结266

8.2 模型的简化267

8.3 电感应机268

8.3.1 分析270

8.3.2 设计和性能273

8.3.3 功率电子学和控制278

8.3.4 特殊制造问题280

8.3.5 试验283

8.3.6 小结287

8.4 永磁同步电机288

8.4.1 建模290

8.4.2 设计300

8.4.3 功率电子304

8.4.4 试验310

8.4.5 小结317

8.5 总结318

参考文献319

第9章 旋转机械的微燃烧室323

9.1 绪论323

9.2 燃烧的基本概念324

9.2.1 燃烧的化学反应324

9.2.2 当量比325

9.2.3 化学动力学325

9.2.4 微型燃烧室效率的定义326

9.2.5 燃烧方法327

9.3 微型燃烧室面临的挑战328

9.3.1 停留时间的限制328

9.3.2 热传递和流体结构耦合330

9.3.3 材料限制331

9.3.4 设计空间331

9.4 均匀气相微燃烧室的研究332

9.4.1 早期微燃烧室概述332

9.4.2 贝塞尔六晶圆气相微燃烧室333

9.4.3 回流区和燃烧稳定性335

9.4.4 燃料注射和燃料空气混合337

9.4.5 双区域微燃烧室338

9.4.6 碳氢燃烧339

9.4.7 燃烧空间341

9.4.8 设计方法建议342

9.5 均匀催化微燃烧室的研究343

9.5.1 点火技术和特征344

9.5.2 贝塞尔催化微燃烧室的性能345

9.5.3 扩散和时间尺度346

9.5.4 压力损耗348

9.5.5 等温多孔活塞流体反应器模型349

9.5.6 催化微燃烧室的运行空间353

9.6 加工和封装354

9.6.1 基本工艺354

9.6.2 催化元件356

9.6.3 催化微燃烧室的组装和键合358

9.6.4 封装359

9.7 总结359

9.7.1 设计指南359

9.7.2 未来工作展望360

参考文献361