微機(jī)電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

前言

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是20世紀(jì)末、21世紀(jì)初興起的工程科學(xué)前沿，是當(dāng)前十分活躍的研究領(lǐng)域，它涉及多學(xué)科的交叉：如物理學(xué)，現(xiàn)代光學(xué)，現(xiàn)代力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，以及材料、機(jī)械、電子、信息等工程技術(shù)學(xué)科?！　EMS有著廣泛的應(yīng)用前景，在全球范圍內(nèi)市場(chǎng)成指數(shù)上升的趨勢(shì)；在我國也已成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，它在汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程、航天航空、精密儀器、移動(dòng)通信以及國防科技等方面都有極大的發(fā)展?jié)摿??！　EMS的研究也帶動(dòng)了新的學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展，如微流體、微傳熱、微摩擦、微光學(xué)以及微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法、微機(jī)電系統(tǒng)的制作工藝、微機(jī)電系統(tǒng)材料及其特性研究、微細(xì)測(cè)試技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備的研制等，這都已成為科技工作者關(guān)注的熱點(diǎn)?！　‰S著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)相關(guān)人才的要求也越來越高，要掌握現(xiàn)代的數(shù)、理、力學(xué)基礎(chǔ)，要了解微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的方方面面，要掌握光、機(jī)、電等多學(xué)科的新進(jìn)展，既要會(huì)理論建模，又要有熟練的測(cè)試技術(shù)，這給現(xiàn)代教育提出了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，也是關(guān)系到微機(jī)電系統(tǒng)的未來和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急?！　∽鳛閯?chuàng)建高水平的中國大學(xué)必須開拓創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)，在教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，完成有關(guān)微機(jī)電系統(tǒng)方面的學(xué)科建設(shè)，以及系列課程的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱和教材建設(shè)。在這方面世界發(fā)達(dá)國家的各著名大學(xué)和研究所大都進(jìn)行了有益的探索，開設(shè)了相關(guān)的課程，編寫相關(guān)教材，建立了新的教學(xué)體系等，并取得了一定的成效。這些都可為我們所借鑒和參考。另一方面，這是一門使大學(xué)生了解高科技前沿的新穎課程，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的一個(gè)重要方面，也是進(jìn)行教學(xué)改革，更新較陳舊的教學(xué)內(nèi)容的一項(xiàng)重要舉措?！　?0世紀(jì)90年代以來，編者先后負(fù)責(zé)和參加了與微機(jī)電系統(tǒng)有關(guān)的多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，深感對(duì)這種跨學(xué)科、多領(lǐng)域的新興課題，需要較寬的知識(shí)結(jié)構(gòu)，需要相關(guān)各學(xué)科人員的溝通和協(xié)調(diào)。為此，十分需要一本針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)比較全面系統(tǒng)的概論性教材?！　∧壳皣鴥?nèi)也相續(xù)出現(xiàn)有關(guān)MEMS的著作和教材，如李德勝等主編的《MEMS技術(shù)及其應(yīng)用》、章吉良等編著的《微機(jī)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)》、劉曉明等編著的《微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造》、王琪民編著的《微型機(jī)械導(dǎo)論》、王春海等譯著的《微系統(tǒng)技術(shù)》以及王曉浩等譯著的《MEMS和微系統(tǒng)——設(shè)計(jì)和制造》，等等。這一系列微機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的教材，內(nèi)容各有特色，側(cè)重點(diǎn)不同。編者在閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)教材和文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全面系統(tǒng)的了解和分析，針對(duì)有一定微電子、工程力學(xué)或機(jī)械工程基礎(chǔ)的高年級(jí)本科生，撰寫《微機(jī)電系統(tǒng)及設(shè)計(jì)》，也可以作為對(duì)MEMS感興趣的研究生、科研人員的參考資料。

內(nèi)容概要

本書較全面、系統(tǒng)地介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并給出了大量實(shí)例，盡量使用通俗易懂的語言，讓剛接觸微機(jī)電系統(tǒng)的讀者能夠全面地了解這門學(xué)科。作者參考了國內(nèi)外大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，并結(jié)合在科研和工作中的體會(huì)，編寫了這本教材。    本書共8章，第1章初識(shí)微機(jī)電系統(tǒng)，介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)、起源、與傳統(tǒng)機(jī)械和微電子的關(guān)聯(lián)及應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。第2章闡述了用于傳感或執(zhí)行元件工作的基本機(jī)理，并介紹了一些典型的微傳感器和微執(zhí)行器。第3章討論了用于微機(jī)電系統(tǒng)的多種材料。第4章描述了怎樣制造微機(jī)電系統(tǒng)和器件，包括硅基微制造工藝、LIGA工藝和微細(xì)特種加工技術(shù)。第5章詳細(xì)介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真、分級(jí)建模和MEMS CAD技術(shù)。第6章講述了微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和封裝中相關(guān)的工程力學(xué)問題和尺度效應(yīng)。第7章和第8章主要介紹微機(jī)電系統(tǒng)的封裝和檢測(cè)技術(shù)，主要包括微機(jī)電系統(tǒng)封裝技術(shù)、典型檢測(cè)工具、微結(jié)構(gòu)材料特性檢測(cè)技術(shù)、微結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)技術(shù)等。

書籍目錄

第1章  微機(jī)電系統(tǒng)概論  1.1  微機(jī)電系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)  1.2  微機(jī)電系統(tǒng)的起源  1.3  微機(jī)電系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀    1.3.1  國外的發(fā)展現(xiàn)狀    1.3.2  國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀  1.4  微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用及展望    1.4.1  微機(jī)電系統(tǒng)在國防中的應(yīng)用    1.4.2  微機(jī)電系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用    1.4.3  微機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用    1.4.4  微機(jī)電系統(tǒng)在其他工業(yè)中的應(yīng)用及展望第2章  微機(jī)電系統(tǒng)的工作原理  2.1  基本工作原理分析    2.1.1  電容效應(yīng)    2.1.2  壓阻效應(yīng)    2.1.3  壓電效應(yīng)    2.1.4  靜電效應(yīng)    2.1.5  熱力效應(yīng)    2.1.6  形狀記憶合金效應(yīng)  2.2  微傳感器  2.3  微執(zhí)行器第3章  用于微機(jī)電系統(tǒng)的材料  3.1  硅及其化合物    3.1.1  硅    3.1.2  硅化合物  3.2  陶瓷  3.3  聚合物  3.4  金屬  3.5  凝膠  3.6  電流變體第4章  微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)制造技術(shù)  4.1  傳統(tǒng)超精密和特種微細(xì)加工技術(shù)    4.1.1  超精密微加工技術(shù)    4.1.2  微細(xì)特種技工技術(shù)  4.2  硅微機(jī)械加工技術(shù)    4.2.1  微機(jī)電系統(tǒng)中常用的IC工藝    4.2.2  表面微加工技術(shù)    4.2.3  體微加工技術(shù)  4.3  鍵合技術(shù)  4.4  LIGA技術(shù)    4.4.1  LIGA技術(shù)基本原理和工藝步驟    4.4.2  LIGA技術(shù)的特點(diǎn)    4.4.3  準(zhǔn)LIGA技術(shù)    4.4.4  LIGA和準(zhǔn)LIGA技術(shù)的應(yīng)用第5章  微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模  5.1  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的類型和任務(wù)    5.1.1  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)類型    5.1.2  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)  5.2  微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、方法和流程    5.2.1  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則    5.2.2  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法    5.2.3  設(shè)計(jì)流程  5.3  微機(jī)電系統(tǒng)的建模    5.3.1  MEMS建模的概念、目的和要求    5.3.2  MEMS建模的級(jí)別    5.3.3  宏模型    5.3.4  MEMS的功能元件和結(jié)構(gòu)元件  5.4  微加工工藝設(shè)計(jì)和仿真    5.4.1  微加工工藝設(shè)計(jì)    5.4.2  微加工工藝仿真  5.5  微電子機(jī)械系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)    5.5.1  MEMS CAD設(shè)計(jì)原則    5.5.2  MEMS CAD結(jié)構(gòu)體系    5.5.3  MEMS CAD工具    5.5.4  MEMS CAD的特點(diǎn)  5.6  設(shè)計(jì)例子    5.6.1  MEMS分級(jí)別建模例子    5.6.2  MEMSCAD例子第6章  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的工程力學(xué)和尺度效應(yīng)  6.1  應(yīng)力和應(yīng)變    6.1.1  應(yīng)力和應(yīng)變的定義    6.1.2  應(yīng)力-應(yīng)變的一般關(guān)系  6.2  梁的彎曲應(yīng)力    6.2.1  梁的類型    6.2.2  純彎曲下的縱向應(yīng)變    6.2.3  梁的彈性形變常數(shù)    6.2.4  梁的扭曲變形  6.3  薄板的靜力彎曲  6.4  薄膜力學(xué)  6.5  機(jī)械振動(dòng)    6.5.1  基本公式    6.5.2  共振和品質(zhì)因數(shù)    6.5.3  阻尼系數(shù)  6.6  斷裂力學(xué)    6.6.1  應(yīng)力強(qiáng)度因子    6.6.2  斷裂韌度    6.6.3  界面斷裂力學(xué)  6.7  熱力學(xué)    6.7.1  熱應(yīng)力    6.7.2  材料機(jī)械強(qiáng)度的熱效應(yīng)    6.7.3  蠕變  6.8  流體力學(xué)  6.9  微機(jī)電系統(tǒng)的尺度效應(yīng)    6.9.1  微摩擦基礎(chǔ)    6.9.2  熱學(xué)的尺度效應(yīng)    6.9.3  微流體的尺度效應(yīng)    6.9.4  微執(zhí)行器的尺度效應(yīng)    6.9.5  尺度效應(yīng)實(shí)例第7章  微機(jī)電系統(tǒng)的封裝技術(shù)  7.1  微機(jī)電系統(tǒng)的封裝等級(jí)和接口    7.1.1  封裝設(shè)計(jì)的一般考慮和分類    7.1.2  封裝的三個(gè)等級(jí)    7.1.3  封裝的接口問題  7.2  MEMS封裝流程  7.3  主要封裝技術(shù)    7.3.1  芯片準(zhǔn)備：劃片    7.3.2  芯片安裝連接技術(shù)    7.3.3  引線鍵合技術(shù)    7.3.4  密封技術(shù)    7.3.5  抗粘連處理技術(shù)    7.3.6  封裝添加劑技術(shù)    7.3.7  一些典型的新封裝技術(shù)  7.4  封裝材料的選擇    7.4.1  導(dǎo)電材料    7.4.2  殼體材料    7.4.3  連接材料    7.4.4  密封材料    7.4.5  添加劑材料  7.5  封裝設(shè)計(jì)實(shí)例：微壓力傳感器的封裝第8章  微機(jī)電系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)  8.1  典型的檢測(cè)工具    8.1.1  掃描隧道顯微鏡測(cè)量技術(shù)    8.1.2  原子力顯微鏡測(cè)量技術(shù)  8.2  微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料特性的檢測(cè)    8.2.1  殘余應(yīng)力和彈性模量的測(cè)量    8.2.2  剛度和硬度的測(cè)量    8.2.3  抗拉強(qiáng)度和失效應(yīng)變的測(cè)量    8.2.4  熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的測(cè)量  8.3  微機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能檢測(cè)    8.3.1  微型構(gòu)件三維幾何尺寸的測(cè)量    8.3.2  薄膜構(gòu)件的膜厚測(cè)量    8.3.3  微量力的測(cè)量    8.3.4  微執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量  8.4  微機(jī)電系統(tǒng)的性能檢測(cè)    8.4.1  物理輸入量的測(cè)量    8.4.2  輸出量的檢測(cè)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　在單晶基片上，沿著原來結(jié)晶方向，再生長(zhǎng)一層單晶薄膜，這層薄膜就像由基片向外延拓一樣，所以稱為外延技術(shù)。外延層可以按基片晶向生長(zhǎng)，并可根據(jù)需要控制其導(dǎo)電類型、電阻率、厚度等，而且這些參數(shù)不依賴基片中的雜質(zhì)種類和摻雜水平，長(zhǎng)有外延層的晶片稱為外延片?！　⊥庋由L(zhǎng)技術(shù)可分為：液相外延（LPE）、鹵素氣相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）等?！　∫合嗤庋又邪寻雽?dǎo)體原料的溶液覆蓋在單晶硅片上，使溶液中半導(dǎo)體原料不斷在基片上析出，并沿著基片晶向再結(jié)晶，生長(zhǎng)出一層新的單晶薄膜。液相外延具有操作簡(jiǎn)單，單晶生長(zhǎng)溫度低，速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是只能生長(zhǎng)厚度有限的外延薄膜，且生長(zhǎng)過程中很難改變雜質(zhì)的濃度梯度?！　←u素氣相外延中，將硅源材料（常用的有四氯化硅、二氯甲硅烷、硅烷等）和氫氣在高溫作用下生成的高純度硅蒸汽淀積在單晶硅片上，使其沿著單晶方向生長(zhǎng)有一定厚度的單晶層，生長(zhǎng)速度取決于源氣材料和生長(zhǎng)溫度。這種方法比液相外延能得到較厚的外延膜，可任意改變雜質(zhì)的濃度梯度；但是，外延生長(zhǎng)溫度高，生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備較復(fù)雜。

編輯推薦

　　全書共分8個(gè)章節(jié)，較為全面、系統(tǒng)地介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并給出了大量實(shí)例，盡量使用通俗易懂的語言，讓剛接觸微機(jī)電系統(tǒng)的讀者能夠全面地了解這門學(xué)科。具體內(nèi)容包括微機(jī)電系統(tǒng)概論、微機(jī)電系統(tǒng)的工作原理、微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)制造技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的工程力學(xué)和尺度效應(yīng)等。該書可供各大專院校作為教材使用，也可供從事相關(guān)工作的人員作為參考用書使用。

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