泛結(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法

前言

　　微機電系統(tǒng)（MEMS）被公認為是一項戰(zhàn)略高新技術(shù)。微機電系統(tǒng)除了用于航空航天等尖端行業(yè)外，也正在悄悄地改變?nèi)祟惖纳?。從保障行車安全的胎壓傳感器、安全氣囊系統(tǒng)中的加速度計，到進入人體內(nèi)進行藥物定點釋放的微型藥丸，微機電系統(tǒng)正在提高著人類的生活質(zhì)量?！　≡O計是創(chuàng)新的核心。中國是一個制造大國，正在向設計大國進行轉(zhuǎn)變。“工欲善其事，必先利其器”。然而，微機電系統(tǒng)發(fā)展至今，仍無相關(guān)的著作對其理論體系和設計方法進行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。作者對微機電系統(tǒng)的設計方法、理論，以及工具技術(shù)進行了長時間的研究和積累。本書就是在這些研究基礎上，對微機電系統(tǒng)的設計方法的特點和理論體系進行了系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，提出和建立了泛結(jié)構(gòu)化的微機電系統(tǒng)集成設計方法。　　微機電系統(tǒng)是用源自微電子工藝的微細加工工藝所制作的微型機械系統(tǒng)。因此.長期以來微機電系統(tǒng)的設計基本上都更多地借鑒了微電子的設計方法和設計工具，典型的有結(jié)構(gòu)化設計方法。而微機電系統(tǒng)的設計本質(zhì)上是一種復雜精密機械的設計，盡管對微電子制造工藝有很強的依賴性，但卻不適于用微電子的設計方法來設計。因此，泛結(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法特別強調(diào)微機電系統(tǒng)的柔性設計、創(chuàng)成設計和三維設計。它不是對原有的微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設計方法的否定，而是在此基礎上的發(fā)展和提高?！　”緯某晒窃趪腋呒夹g(shù)研究計劃（“863”計劃）、國家自然科學基金等多年的支持下完成的，在此向有關(guān)委員會表示感謝。實驗室的許多研究生做了大量重要的研究工作，也為本書的內(nèi)容提供了幫助，在此向霍鵬飛、李偉劍、徐景輝、謝建兵、張亞飛、閆子健、張承亮、秦子明、劉瑩、謝志雄、郝星、焦文龍、騰云以及其他沒有列出名字但付出辛勤勞動的同學們表示感謝。　　最后須要特別指出的是，微機電系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，筆者因?qū)W科知識面有限，在論述該方法的時候，主要采用了機電領(lǐng)域的例子，對于生物、流體微機電系統(tǒng)的論述較少。因此，所提出的泛結(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法在這些領(lǐng)域可能有所欠缺，敬請讀者諒解和不吝指教。

內(nèi)容概要

　　《泛結(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法》提出和建立了泛結(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法，系統(tǒng)性地論述了其理論體系和關(guān)鍵技術(shù)。本方法是在對當前微機電系統(tǒng)集成設計工具的體系結(jié)構(gòu)、基礎理論、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢等方面進行歸納和總結(jié)的基礎上，提出的一種新的方法和理論，是對當前通用的微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設計方法的重要發(fā)展和提高。依據(jù)本方法實現(xiàn)了國產(chǎn)微機電系統(tǒng)集成設計工具（MEMS Garden），并結(jié)合大量典型和復雜MEMS器件實例驗證了本方法和設計工具的實用性和先進性?！　　斗航Y(jié)構(gòu)化微機電系統(tǒng)集成設計方法》可供微機電系統(tǒng)相關(guān)學科的科研人員參考。

作者簡介

　　苑偉政，1961年生，教授，博士生導師，“長江學者”特聘教授。兼任中國微納米技術(shù)學會理事、中國儀器儀表學會微納器件與系統(tǒng)技術(shù)分會副理事長、中國機械工程學會微納制造技術(shù)分會委員等，《機械工程學報》《傳感技術(shù)學報》等編委。主要從事微機電系統(tǒng)研究，留法回國后在國內(nèi)率先開展了MEMS集成設計、MEMS靈巧蒙皮、微機械準分子激光微細加工技術(shù)等前沿研究，并在微能源、微慣性器件以及微光學系統(tǒng)等方面形成了研究特色。獲省部級科技一等獎3項、二等獎5項、三等獎5項。　　常洪龍，1977年生，博士副教授。主要從事微慣性技術(shù)、微機電系統(tǒng)集成設計方法及相關(guān)技術(shù)的研究。近年來，主持了國家自然科學基金2項、國家高技術(shù)研究計劃（“863”計劃）項目2項，作為課題副組長主持完成國家高技術(shù)研究計劃（“863”計劃）項目2項，研發(fā)了國產(chǎn)MEMS集成設計工具（MEMS Garden）。發(fā)表論文30余篇，申請國家發(fā)明專利27項，授權(quán)10項，獲省部級一等獎2項、二等獎2項、三等獎1項。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 微機電系統(tǒng)簡介1.2 微機電系統(tǒng)設計工具及設計方法簡介1.3 結(jié)構(gòu)化MEMS設計方法及面臨的挑戰(zhàn)1.4 泛結(jié)構(gòu)化MEMS集成設計方法的提出1.5 小結(jié)參考文獻第2章 泛結(jié)構(gòu)化MEMS集成設計方法的理論體系2.1 引言2.2 集成設計體系2.3 分層設計體系2.4 柔性設計體系2.5 創(chuàng)成設計體系2.6 三維設計體系2.7 小結(jié)參考文獻第3章 分層設計體系及實現(xiàn)技術(shù)3.1 引言3.2 系統(tǒng)級設計3.3 器件級設計3.4 工藝級設計3.5 小結(jié)參考文獻第4章 柔性設計體系及實現(xiàn)技術(shù)4.1 引言4.2 系統(tǒng)級網(wǎng)表到工藝級二維版圖的轉(zhuǎn)換方法4.3 系統(tǒng)級網(wǎng)表到器件級三維實體的轉(zhuǎn)換方法4.4 器件級三維實體到工藝級二維版圖的轉(zhuǎn)換方法4.5 器件級到系統(tǒng)級的宏建模轉(zhuǎn)換方法4.6 工藝級二維版圖到器件級三維實體的轉(zhuǎn)換方法4.7 工藝級二維版圖到系統(tǒng)級模型的轉(zhuǎn)換方法4.8 小結(jié)第5章 創(chuàng)成設計體系及實現(xiàn)技術(shù)5.1 引言5.2 系統(tǒng)級創(chuàng)成式設計5.3 器件級創(chuàng)成式設計5.4 工藝級創(chuàng)成式設計5.5 小結(jié)參考文獻第6章 宏建模方法及應用6.1 引言6.2 模型降階的數(shù)學描述6.3 線性MEMS系統(tǒng)宏建模方法6.4 幾何非線性MEMS系統(tǒng)宏建模方法6.5 多域耦合MEMS宏建模方法6.6 參數(shù)化模型降階方法6.7 宏建模方法的應用6.8 小結(jié)參考文獻第7章 三維設計體系及實現(xiàn)技術(shù)7.1 引言7.2 系統(tǒng)級的三維設計7.3 器件級的三維設計7.4 工藝級的三維設計7.5 小結(jié)參考文獻第8章 集成設計體系及實現(xiàn)技術(shù)8.1 引言8.2 集成設計工具的架構(gòu)8.3 集成設計環(huán)境的實現(xiàn)8.4 小結(jié)第9章 設計工具應用及器件設計實例9.1 引言9.2 平面解耦式z軸陀螺9.3 音叉電容式微機械陀螺9.4 平面單軸加速度計9.5 z軸加速度計9.6 微型壓力傳感器9.7 小結(jié)

章節(jié)摘錄

　　微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）主要是指通過半導體工藝或其他微細加工工藝制造的微型機械。其英文縮寫MEMS恰到好處地反映了其主要技術(shù)特點。MEMS一詞中的第一個字母“M”，即Micro，代表這一技術(shù)是微型的。MEMS中典型結(jié)構(gòu)的特征尺寸在微米量級，隨著尺寸的縮小，顯然會降低MEMS系統(tǒng)的功耗，增大其諧振頻率，進而提高可靠性等。因此，可以說微型化是MEMS技術(shù)的一個最顯著的特征。如此微小的結(jié)構(gòu)當前仍主要通過硅基半導體工藝來進行實現(xiàn)，這也使得MEMS一般都具有批量化生產(chǎn)的優(yōu)點。而目前快速發(fā)展的非硅工藝，如準分子激光、飛秒激光、電火花加工等手段也可以實現(xiàn)MEMS技術(shù)的微型化，并開始在MEMS領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位。MEMS中第二個字母“E”，即Electro，表明微機電系統(tǒng)是與“電”密不可分的。一方面，MEMS主要是以微型的傳感器或執(zhí)行器為主，那么對微弱電信號的拾取與調(diào)理必然是不可缺少的。另一方面，這個“E”也在某一程度上代表了這項技術(shù)是緣于微電子行業(yè)的。第三個字母“M”代表了結(jié)構(gòu)、力學等與機械相關(guān)的東西。最后一個字母“S”代表了MEMS是一個相對完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)，具備一定的功能，并且該系統(tǒng)還往往可以在硅片上進行機械結(jié)構(gòu)與控制電路的單片集成?！　∠裎㈦娮蛹夹g(shù)一樣，MEMS技術(shù)也是一項使能性技術(shù)（EnablingTechnology），加上MEMS器件本身所具有的微型化、低功耗、高集成度等優(yōu)點，其已經(jīng)在航空、航天、汽車、醫(yī)療器械、消費電子等諸多領(lǐng)域都找到了很好的結(jié)合點。目前，全世界已經(jīng)有超過130種的MEMS器件[1]，其中打印機噴頭、微加速度計、微陀螺、微麥克風和數(shù)字微鏡均已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模的批量生產(chǎn)，銷售額每年超過80億美元（見圖1-1）。根據(jù)Yole公司的市場預測，僅基于硅MEMS技術(shù)的MEMS市場在2010年就將超過100億美元。 　　……

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