微機電系統(tǒng)與設(shè)計

前言

　　微機電系統(tǒng)（MEMS）是20世紀末、21世紀初興起的工程科學前沿，是當前十分活躍的研究領(lǐng)域，它涉及多學科的交叉：如物理學，現(xiàn)代光學，現(xiàn)代力學、化學、生物學等基礎(chǔ)學科，以及材料、機械、電子、信息等工程技術(shù)學科?！　EMS有著廣泛的應(yīng)用前景，在全球范圍內(nèi)市場成指數(shù)上升的趨勢；在我國也已成為國民經(jīng)濟新的增長點，它在汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程、航天航空、精密儀器、移動通信以及國防科技等方面都有極大的發(fā)展?jié)摿?。　　MEMS的研究也帶動了新的學科和新技術(shù)的發(fā)展，如微流體、微傳熱、微摩擦、微光學以及微機電系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法、微機電系統(tǒng)的制作工藝、微機電系統(tǒng)材料及其特性研究、微細測試技術(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?！　‰S著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，對相關(guān)人才的要求也越來越高，要掌握現(xiàn)代的數(shù)、理、力學基礎(chǔ)，要了解微機電系統(tǒng)技術(shù)的方方面面，要掌握光、機、電等多學科的新進展，既要會理論建模，又要有熟練的測試技術(shù)，這給現(xiàn)代教育提出了一個很大的挑戰(zhàn)，也是關(guān)系到微機電系統(tǒng)的未來和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的當務(wù)之急?！　∽鳛閯?chuàng)建高水平的中國大學必須開拓創(chuàng)新，與時俱進，在教學改革的基礎(chǔ)上，完成有關(guān)微機電系統(tǒng)方面的學科建設(shè)，以及系列課程的教學計劃、教學大綱和教材建設(shè)。在這方面世界發(fā)達國家的各著名大學和研究所大都進行了有益的探索，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，這是一門使大學生了解高科技前沿的新穎課程，是對學生進行素質(zhì)教育的一個重要方面，也是進行教學改革，更新較陳舊的教學內(nèi)容的一項重要舉措?！　?0世紀90年代以來，編者先后負責和參加了與微機電系統(tǒng)有關(guān)的多項國家自然科學基金項目，深感對這種跨學科、多領(lǐng)域的新興課題，需要較寬的知識結(jié)構(gòu)，需要相關(guān)各學科人員的溝通和協(xié)調(diào)。為此，十分需要一本針對微機電系統(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《微機電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)》、劉曉明等編著的《微機電系統(tǒng)設(shè)計與制造》、王琪民編著的《微型機械導論》、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)計和制造》，等等。這一系列微機電系統(tǒng)相關(guān)的教材，內(nèi)容各有特色，側(cè)重點不同。編者在閱讀大量國內(nèi)外相關(guān)教材和文獻的基礎(chǔ)上，對微機電系統(tǒng)進行全面系統(tǒng)的了解和分析，針對有一定微電子、工程力學或機械工程基礎(chǔ)的高年級本科生，撰寫《微機電系統(tǒng)及設(shè)計》，也可以作為對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)地介紹了微機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并給出了大量實例，盡量使用通俗易懂的語言，讓剛接觸微機電系統(tǒng)的讀者能夠全面地了解這門學科。作者參考了國內(nèi)外大量的相關(guān)文獻資料，在教學實踐基礎(chǔ)上，并結(jié)合在科研和工作中的體會，編寫了這本教材。    本書共8章，第1章初識微機電系統(tǒng)，介紹了微機電系統(tǒng)的基本概念和特點、起源、與傳統(tǒng)機械和微電子的關(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章討論了用于微機電系統(tǒng)的多種材料。第4章描述了怎樣制造微機電系統(tǒng)和器件，包括硅基微制造工藝、LIGA工藝和微細特種加工技術(shù)。第5章詳細介紹了微機電系統(tǒng)的設(shè)計仿真、分級建模和MEMS CAD技術(shù)。第6章講述了微機電系統(tǒng)設(shè)計和封裝中相關(guān)的工程力學問題和尺度效應(yīng)。第7章和第8章主要介紹微機電系統(tǒng)的封裝和檢測技術(shù)，主要包括微機電系統(tǒng)封裝技術(shù)、典型檢測工具、微結(jié)構(gòu)材料特性檢測技術(shù)、微結(jié)構(gòu)性能檢測技術(shù)等。

書籍目錄

第1章  微機電系統(tǒng)概論  1.1  微機電系統(tǒng)的基本概念和特點  1.2  微機電系統(tǒng)的起源  1.3  微機電系統(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  微機電系統(tǒng)的應(yīng)用及展望    1.4.1  微機電系統(tǒng)在國防中的應(yīng)用    1.4.2  微機電系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用    1.4.3  微機電系統(tǒng)在生物醫(yī)學中的應(yīng)用    1.4.4  微機電系統(tǒng)在其他工業(yè)中的應(yīng)用及展望第2章  微機電系統(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)超精密和特種微細加工技術(shù)    4.1.1  超精密微加工技術(shù)    4.1.2  微細特種技工技術(shù)  4.2  硅微機械加工技術(shù)    4.2.1  微機電系統(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    4.4.3  準LIGA技術(shù)    4.4.4  LIGA和準LIGA技術(shù)的應(yīng)用第5章  微機電系統(tǒng)的設(shè)計和建模  5.1  微機電系統(tǒng)設(shè)計的類型和任務(wù)    5.1.1  微機電系統(tǒng)設(shè)計類型    5.1.2  微機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)  5.2  微機電系統(tǒng)的設(shè)計原則、方法和流程    5.2.1  微機電系統(tǒng)設(shè)計原則    5.2.2  微機電系統(tǒng)設(shè)計方法    5.2.3  設(shè)計流程  5.3  微機電系統(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)計和仿真    5.4.1  微加工工藝設(shè)計    5.4.2  微加工工藝仿真  5.5  微電子機械系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)    5.5.1  MEMS CAD設(shè)計原則    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  5.6  設(shè)計例子    5.6.1  MEMS分級別建模例子    5.6.2  MEMSCAD例子第6章  微機電系統(tǒng)設(shè)計中的工程力學和尺度效應(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  6.5  機械振動    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    6.6.1  應(yīng)力強度因子    6.6.2  斷裂韌度    6.6.3  界面斷裂力學  6.7  熱力學    6.7.1  熱應(yīng)力    6.7.2  材料機械強度的熱效應(yīng)    6.7.3  蠕變  6.8  流體力學  6.9  微機電系統(tǒng)的尺度效應(yīng)    6.9.1  微摩擦基礎(chǔ)    6.9.2  熱學的尺度效應(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)實例第7章  微機電系統(tǒng)的封裝技術(shù)  7.1  微機電系統(tǒng)的封裝等級和接口    7.1.1  封裝設(shè)計的一般考慮和分類    7.1.2  封裝的三個等級    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)計實例：微壓力傳感器的封裝第8章  微機電系統(tǒng)的檢測技術(shù)  8.1  典型的檢測工具    8.1.1  掃描隧道顯微鏡測量技術(shù)    8.1.2  原子力顯微鏡測量技術(shù)  8.2  微機械結(jié)構(gòu)材料特性的檢測    8.2.1  殘余應(yīng)力和彈性模量的測量    8.2.2  剛度和硬度的測量    8.2.3  抗拉強度和失效應(yīng)變的測量    8.2.4  熱導率和熱擴散率的測量  8.3  微機械結(jié)構(gòu)的性能檢測    8.3.1  微型構(gòu)件三維幾何尺寸的測量    8.3.2  薄膜構(gòu)件的膜厚測量    8.3.3  微量力的測量    8.3.4  微執(zhí)行器運動速度的測量  8.4  微機電系統(tǒng)的性能檢測    8.4.1  物理輸入量的測量    8.4.2  輸出量的檢測參考文獻

章節(jié)摘錄

　　在單晶基片上，沿著原來結(jié)晶方向，再生長一層單晶薄膜，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，并可根據(jù)需要控制其導電類型、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，長有外延層的晶片稱為外延片。　　外延生長技術(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w原料的溶液覆蓋在單晶硅片上，使溶液中半導體原料不斷在基片上析出，并沿著基片晶向再結(jié)晶，生長出一層新的單晶薄膜。液相外延具有操作簡單，單晶生長溫度低，速度快的優(yōu)點，但是只能生長厚度有限的外延薄膜，且生長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有一定厚度的單晶層，生長速度取決于源氣材料和生長溫度。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，外延生長溫度高，生長時間長，設(shè)備較復(fù)雜。

編輯推薦

　　全書共分8個章節(jié)，較為全面、系統(tǒng)地介紹了微機電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并給出了大量實例，盡量使用通俗易懂的語言，讓剛接觸微機電系統(tǒng)的讀者能夠全面地了解這門學科。具體內(nèi)容包括微機電系統(tǒng)概論、微機電系統(tǒng)的工作原理、微機電系統(tǒng)的相關(guān)制造技術(shù)、微機電系統(tǒng)設(shè)計中的工程力學和尺度效應(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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