微機(jī)電系統(tǒng)工程基礎(chǔ)

前言

　　微機(jī)電系統(tǒng)（micro electromechanical system），是20世紀(jì)末興起、21世紀(jì)初開始快速發(fā)展的高科技前沿領(lǐng)域。近年來涉及領(lǐng)域不斷擴(kuò)大：在航天、汽車、生物技術(shù)、通訊、國防、環(huán)保等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；有關(guān)研究日趨深入，其研究內(nèi)容涵蓋：基礎(chǔ)研究、設(shè)計、工藝、材料、應(yīng)用器件等諸多方面。它的現(xiàn)實(shí)和潛在的應(yīng)用，會給國民經(jīng)濟(jì)和國家安全帶來巨大的好處。微機(jī)電系統(tǒng)已受到世界各國的廣泛重視。2003年，作者編寫了微機(jī)電系統(tǒng)的概念性教科書——《微型機(jī)械導(dǎo)論》。這本書的出版受到了歡迎：有些高校將此書作為教科書或教學(xué)參考書，不少讀者來函索要此書，也有讀者看到書后，想前來中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀相關(guān)專業(yè)研究生。5年多過去了，微機(jī)電系統(tǒng)的研究和開發(fā)日新月異，如：微細(xì)加工工藝不斷更新、微型器件的尺度進(jìn)一步變小、嶄新機(jī)理的微器件層出不窮、實(shí)用以至商品化的產(chǎn)品顯著增加。微機(jī)電系統(tǒng)涉及的工程基礎(chǔ)知識十分廣泛，隨著科學(xué)研究的深入、學(xué)科建設(shè)發(fā)展的需要，學(xué)界希望有一本更為全面、系統(tǒng)地介紹相關(guān)工程基礎(chǔ)知識，了解傳統(tǒng)工程學(xué)科在微系統(tǒng)應(yīng)用中的區(qū)別、傳統(tǒng)理論在應(yīng)用中需要做哪些限制和修正、微機(jī)電系統(tǒng)中常見的失效方式及其應(yīng)對原則等內(nèi)容的新書問世，為此我們編寫了這本《微機(jī)電系統(tǒng)工程基礎(chǔ)》。本書保持了《微型機(jī)械導(dǎo)論》的風(fēng)格：基本思路清晰，基本概念清楚；通俗易懂，深淺適宜；文字通暢，圖文并茂；信息量大，覆蓋面廣；基本定律和分析計算均有定量（公式）描述。

內(nèi)容概要

微機(jī)電系統(tǒng)是20世紀(jì)末興起，并在21世紀(jì)初開始快速發(fā)展的高科技前沿領(lǐng)域。其所涉及領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，相關(guān)研究也日趨深入。本書主要介紹相關(guān)的工程基礎(chǔ)知識。本書共11章，較為詳細(xì)地介紹了半導(dǎo)體制作工藝、執(zhí)行器、微系統(tǒng)的工作機(jī)理及制作方法和應(yīng)用范圍、各種新發(fā)展的微檢測技術(shù)、微系統(tǒng)設(shè)計、建模方法和應(yīng)注意的事項等，還重點(diǎn)介紹了微機(jī)電系統(tǒng)的固體力學(xué)、微流體力學(xué)和微尺度傳熱的基礎(chǔ)知識，分析了微系統(tǒng)中的工程特點(diǎn)，與傳統(tǒng)工程科學(xué)的區(qū)別，傳統(tǒng)理論在微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中所受到的限制及其修正，微機(jī)電系統(tǒng)中常見的失效方式及其應(yīng)對原則等。　　本書可供高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)高年級選做本科教育教材，也可以供感興趣的研究生、科研人員參考之用。

書籍目錄

前言第1章 微機(jī)電系統(tǒng)概述　1.1 引言　　1.1.1 多年來的期盼　　1.1.2 發(fā)生在20世紀(jì)90年代的故事　1.2 小機(jī)械，大機(jī)會　　1.2.1 三十年的積累　　1.2.2 第一個豐收的季節(jié)　　1.2.3 微型科技發(fā)展的動力　　1.2.4 小機(jī)械包含著大課題　1.3 什么是微機(jī)電系統(tǒng)　　1.3.1 微機(jī)電系統(tǒng)的定義　　1.3.2 微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸　　1.3.3 微型機(jī)械與微電子和普通機(jī)械的差異　1.4 本書內(nèi)容　1.5 有關(guān)的刊物、會議和網(wǎng)站　參考文獻(xiàn)第2章 微機(jī)電系統(tǒng)的制作（上）　2.1 引言　　2.1.1 微細(xì)機(jī)械加工的特點(diǎn)　　2.1.2 關(guān)于加工單位的概念　　2.1.3 常用的微細(xì)加工方法的分類　2.2 微型機(jī)械中使用的IC工藝　　2.2.1 IC工藝的概況　　2.2.2 IC工藝的主要步驟　2.3 硅微結(jié)構(gòu)制作工藝　　2.3.1 體微機(jī)械加工技術(shù)　　2.3.2 鍵合技術(shù)　　2.3.3 表面微機(jī)械加工技術(shù)　　2.3.4 封裝　參考文獻(xiàn)第3章 微機(jī)電系統(tǒng)的制作（下）　　3.1 傳統(tǒng)的超精密加工方法的概述　　3.1.1 微細(xì)磨削加工　　3.1.2 微細(xì)磨料加工　　3.1.3 微細(xì)放電加工　　3.1.4 金屬絲放電磨削加工　3.2 特種加工工藝　　3.2.1 激光束微細(xì)加工技術(shù)　　3.2.2 電子束微細(xì)加工技術(shù)　　3.2.3 聚焦離子束（FIB）微細(xì)加工技術(shù)　3.3 LIGA工藝　　3.3.1 概述　　3.3.2 同步輻射X射線光刻　　3.3.3 LIGA工藝流程　3.4 快速成型技術(shù)　3.5 用隧道顯微鏡進(jìn)行微細(xì)加工　　3.5.1 隧道效應(yīng)與STM　　3.5.2 其他類型的隧道顯微鏡　　3.5.3 用隧道顯微鏡進(jìn)行微細(xì)表面加工　3.6 最近發(fā)展的微納米工藝　　3.6.1 多光子吸收聚合技術(shù)（MAP）　　3.6.2 質(zhì)子束刻寫　參考文獻(xiàn)第4章 常見的微型器件（上）——幾種典型的微傳感器及其工作原理第5章 常見的微型器件（中）——幾種典型的微執(zhí)行器及其工作原理第6章 常見微型器件（下）——幾種典型的微結(jié)構(gòu)和微系統(tǒng)第7章 微檢測技術(shù)第8章 微機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的固體力學(xué)基礎(chǔ)知識第9章 微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計和建模第10章 微尺度流體力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識第11章 微尺度傳熱基礎(chǔ)知識參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1．晶體生長和晶片制備為了制造高純度硅，需要對工業(yè)純硅（97％）進(jìn)行提純?？赏ㄟ^化學(xué)方法將原始材料生成中間化合物，對中間化合物提純，再通過還原或熱分解得到純度為99．9999％的硅。也可以用物理方法，也稱區(qū)域法提純，即當(dāng)熔化的半導(dǎo)體材料其中一部分凝固，另一部分仍為液體時，凝固部分雜質(zhì)濃度低于液態(tài)部分雜質(zhì)濃度。因此，當(dāng)反復(fù)多次沿著同一方向，一個區(qū)域接一個區(qū)域地把雜質(zhì)“趕到”材料一端時，可純化材料的其余部分；接下來，可在提純后的多晶材料上生長一層單晶體，這一工藝過程稱為晶體生長。具體做法是用一個籽晶與熔融（多晶）材料液面接觸，然后緩慢提拉籽晶，在籽晶下面就會生長出新的單晶體來。為了使單晶材料的導(dǎo)電類型、電阻率和力學(xué)性質(zhì)滿足制作半導(dǎo)體器件的要求，還可向晶體內(nèi)摻入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)。將拉制好的單晶按晶體取向切成薄片，經(jīng)磨削、拋光處理，制備成晶片。晶片處理需十分小心，在超凈車間進(jìn)行，以避免污染。作為薄膜的載體，往往將晶片作為襯底（也稱基片）（sub-strate）。也有用玻璃、陶瓷、金屬和塑料作襯底的。對于微型結(jié)構(gòu)，常用的襯底是玻璃和硅。為了使薄膜比較牢固地附著在襯底上，應(yīng)選擇兩者相互浸潤好的材料；襯底的表面狀態(tài)對在其上生長的薄膜結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)影響很大，許多情況下對襯底表面活化處理可增加膜的附著力。襯底表面處理方法很多，如水洗法、溶劑清洗法、超聲清洗法、離子轟去法、射線輻照法等，用以達(dá)到除掉表面物理和化學(xué)污染的目的；用研磨和蝕刻可改變表面粗糙度。用蝕刻法的加工單位是分子、原子量級的，幾乎不產(chǎn)生變質(zhì)層，沒有加工的殘余應(yīng)力；對一些晶體，沿著解理面解理，也可得到超清潔的固體表面。

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