微電子機(jī)械加工系統(tǒng)

前言

　　微電子機(jī)械加工系統(tǒng)（MEMS）是指以集成電路等工藝批量制作，集微型機(jī)械、微型傳感器、微型執(zhí)行器及信號(hào)處理和控制電路等于一體的裝置。它具有尺寸小、重量輕、響應(yīng)快、精度高、性能優(yōu)和成本低等特點(diǎn)，其在工業(yè)、國(guó)防、航天、航海、醫(yī)學(xué)、生物工程、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。　　微機(jī)電系統(tǒng)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它與精密機(jī)械加工融為一體，能制造出外形輪廓尺寸在毫米、微米、甚至納米量級(jí)的微型機(jī)電裝置。MEMS制作技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分。前者有硅片的拋光、氧化、光刻、摻雜擴(kuò)散、引線等；后者有硅片腐蝕加工和硅片鍵合、封裝等。目前已制造出微型壓力傳感器、微型加速度傳感器、微型泵、微型閥、微型溝槽、微型執(zhí)行器、微型齒輪、微型電機(jī)、微型飛行器、微型陀螺、微型燃燒器、微型手術(shù)刀、微型血管內(nèi)注射器、DNA芯片、智能藥物釋放器以及微小衛(wèi)星等，并已在不同領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?！　〗窈笤贛EMS材料、性能及檢查、元件設(shè)計(jì)與制造、加工效果觀察、元件封裝與測(cè)試方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化也是其發(fā)展方向之一。這將決定MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的成功與否。

內(nèi)容概要

　　《微電子機(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》還詳細(xì)介紹了電學(xué)，熱學(xué)和力學(xué)有限元方法的要領(lǐng)，相關(guān)軟件的使用及硅片的加工處理方法。閱讀《微電子機(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》，可以為MEMS元件的設(shè)計(jì)和制造打下較好的基礎(chǔ)，從而可以靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。MEMS技術(shù)是21世紀(jì)發(fā)展的重大技術(shù)，涉及國(guó)防、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?！段㈦娮訖C(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》以各種微型閥、微型泵、微型馬達(dá)、壓電元器件的制造為目的，闡述其功能，所依據(jù)的物理原理及定律?！　　段㈦娮訖C(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》可供國(guó)防、航天、醫(yī)療等專業(yè)的技術(shù)人員閱讀，也可供大專院校有關(guān)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

1　靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算有限元方法1.1　靜電場(chǎng)中重要定律和方程1.1.1　歐姆定律1.1.2　奧-高定律1.1.3　靜電場(chǎng)中的泊松（poisson）方程1.1.4　高斯定理1.1.5　格林定理1.1.6　靜電場(chǎng)能量1.2　變分原理與泛函1.2.1　變分原理與泛函1.2.2　場(chǎng)域中存在電荷時(shí)泛函L（φ）1.3　靜電場(chǎng)有限元法的計(jì)算過程1.3.1　場(chǎng)域的剖分與函數(shù)的近似表示1.3.2　泛函的計(jì)算過程1.3.3　綜合方程的系數(shù)矩陣形式1.4　靜電場(chǎng)有限元數(shù)值計(jì)算在電流場(chǎng)電勢(shì)分析中的應(yīng)用實(shí)例1.4.1　概述1.4.2　原理1.4.3　計(jì)算結(jié)果2　應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算有限元方法2.1　有限元應(yīng)力分析概述2.1.1　原理2.1.2　FEA的輸入信息2.1.3　應(yīng)力分析的輸出信息2.1.4　圖形輸出2.1.5　總評(píng)2.1.6　ANSYS的分析例子2.2　ANSYS軟件在硅島膜電容式MEMS壓力傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用2.2.1　ANSYS力學(xué)分析步驟2.2.2　問題的提出2.2.3　ANSYS分析2.3　MEMS彈性膜的二維有限元應(yīng)力計(jì)算原理2.3.1　彈性膜的有限元剖分2.3.2　虛功原理的應(yīng)用2.3.3　單元?jiǎng)偠确匠膛c整體剛度方程2.3.4　整體剛度方程的求解2.3.5　彈性膜應(yīng)力分布有限元法計(jì)算結(jié)果2.4　壓力傳感器三維有限元法應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)介2.4.1　單元的選擇與形變自由度2.4.2　用結(jié)點(diǎn)位移表示單元中任何一點(diǎn)位移2.4.3　單元?jiǎng)偠染仃?.4.4　總體剛度方程2.4.5　計(jì)算結(jié)果2.5　高溫壓力傳感器熱模擬2.5.1　概述2.5.2　AIN、Si02、A1203作為絕緣層時(shí)的比較2.5.3　散熱層不同厚度時(shí)襯底溫度的比較2.5.4　散熱層不同厚度時(shí)電阻中心點(diǎn)溫度的比較2.6　受徑向力圓環(huán)中正應(yīng)力的周向分布規(guī)律及其應(yīng)力計(jì)算的分析解法2.6.1　概述2.6.2　由格林定理推導(dǎo)正應(yīng)力的周向分布規(guī)律2.6.3　力的平衡條件2.6.4　利用力矩平衡條件決定A值2.6.5　計(jì)算結(jié)果2.7　MEMS單晶元件各向異性正應(yīng)變的計(jì)算2.7.1　概述2.7.2　在單軸應(yīng)力下，進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)量2.7.3　正應(yīng)力作用下晶面正應(yīng)變機(jī)理2.7.4　不同晶向正應(yīng)變與正應(yīng)力間的關(guān)系3　硅MEMS元件的化學(xué)腐蝕微機(jī)械加工3.1　概況3.2　濕化學(xué)腐蝕3.2.1　電化學(xué)腐蝕機(jī)理3.2.2　影響腐蝕速率的因素3.2.3　陽(yáng)極腐蝕法3.2.4　凸角腐蝕及其補(bǔ)償3.2.5　無(wú)掩膜KOH腐蝕技術(shù)3.2.6　各向異性腐蝕過程計(jì)算機(jī)模擬3.2.7　腐蝕過程的幾何分析3.2.8　二維腐蝕過程計(jì)算機(jī)模擬3.2.9　三維腐蝕過程計(jì)算機(jī)模擬3.3　微電子機(jī)械元件的壓力腔腐蝕工藝3.3.1　常用腐蝕液及其特性3.3.2　硅杯壓力腔口掩膜尺寸設(shè)計(jì)3.3.3　適合腐蝕法制備彈性膜的外延結(jié)構(gòu)3.3.4　KOH各向異性腐蝕制作近似圓形膜技術(shù)3.3.5　各向異性腐蝕設(shè)備3.3.6　簡(jiǎn)易雙面對(duì)準(zhǔn)技術(shù)3.4　表面微機(jī)械加工——犧牲層技術(shù)3.5　等離子體刻蝕技術(shù)在微細(xì)圖形加工中的應(yīng)用3.6　微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)3.6.1　微細(xì)電鑄3.6.2　微細(xì)電解加工4　MEMS系統(tǒng)的封裝4.1　MEMS系統(tǒng)的封裝意義及要求4.1.1　封裝的作用與意義4.1.2　MEMS封裝設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題4.1.3　封裝結(jié)構(gòu)及封裝材料4.1.4　接口問題4.1.5　封裝外殼設(shè)計(jì)4.1.6　熱設(shè)計(jì)4.1.7　封裝過程引起的可靠性問題4.1.8　封裝成本4.2　焊球柵陣列倒裝芯片封裝技術(shù)4.3　MEMS中芯片封接方法4.3.1　黏結(jié)4.3.2　共晶鍵合4.3.3　陽(yáng)極鍵合4.3.4　冷焊4.3.5　釬焊4.3.6　硅-硅直接鍵合4.3.7　玻璃密封4.4　硅片與硅片低溫直接鍵合4.4.1　各種硅-硅直接鍵合法4.4.2　硅-硅酸鈉-硅低溫直接鍵合過程4.4.3　影響鍵合質(zhì)量的因素4.4.4　質(zhì)量檢測(cè)方法4.5　封接材料的性質(zhì)5　微電子機(jī)械元件的引線5.1　MEMS元件的引線鍵合5.1.1　引線的作用5.1.2　對(duì)鍵合引線材料的要求5.1.3　MEMS元件中應(yīng)用的引線鍵合工藝5.2　MEMS系統(tǒng)壓力傳感器的引線鍵合工藝5.2.1　超聲鍵合設(shè)備5.3　引線的可靠性與可鍵合性5.3.1　材料間鍵合接觸時(shí)的冶金學(xué)效應(yīng)5.3.2　各種材料的鍵合接觸5.4　壓力傳感器的鍵合工藝及效果5.4.1　芯片電路及引線5.4.2　壓力傳感器鍵合工藝步驟6　MEMS元件的制作6.1　硅膜電容型壓力傳感器6.1.1　電容變化量與流體壓力的關(guān)系6.1.2　測(cè)定方法6.2　壓電型壓力傳感器6.2.1　壓電材料和壓電效應(yīng)6.2.2　壓電方程與壓電系數(shù)6.2.3　表面電荷的計(jì)算6.2.4　壓電型壓力傳感器的電荷測(cè)量6.2.5　壓電型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)6.3　MEMS微型閥和微型泵的制作6.3.1　微型閥6.3.2　微型泵6.4　基于壓電原理的MEMS微驅(qū)動(dòng)器6.4.1　壓電納米驅(qū)動(dòng)器6.4.2　壓電噴墨頭6.5　氣體傳感器陣列中微加熱器的制作6.5.1　利用擴(kuò)散電阻作加熱器6.5.2　微型熱板式加熱器（MHP）6.5.3　絕緣層之間的金屬Pt膜或多晶Si膜作加熱器6.6　微型燃燒器的制作參考文獻(xiàn)

編輯推薦

　　《微電子機(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》著重于MEMS元件設(shè)計(jì)中的有限元靜電場(chǎng)和電流場(chǎng)，溫度場(chǎng)，MEMS元件各向同性應(yīng)力場(chǎng)和各向異性應(yīng)變分析及壓電效應(yīng)介紹?！段㈦娮訖C(jī)械加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)》重點(diǎn)還放在MEMS元件制造，包括硅片腐蝕加工和硅片鍵合，封裝和引線。編者在上述各方面曾作過許多研究，完成多項(xiàng)科研任務(wù)，有一定的經(jīng)驗(yàn)和收獲。

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