泛結(jié)構(gòu)化微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法

前言

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）被公認(rèn)為是一項(xiàng)戰(zhàn)略高新技術(shù)。微機(jī)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(jì)，到進(jìn)入人體內(nèi)進(jìn)行藥物定點(diǎn)釋放的微型藥丸，微機(jī)電系統(tǒng)正在提高著人類的生活質(zhì)量?！　≡O(shè)計(jì)是創(chuàng)新的核心。中國是一個(gè)制造大國，正在向設(shè)計(jì)大國進(jìn)行轉(zhuǎn)變。“工欲善其事，必先利其器”。然而，微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展至今，仍無相關(guān)的著作對(duì)其理論體系和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納。作者對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、理論，以及工具技術(shù)進(jìn)行了長時(shí)間的研究和積累。本書就是在這些研究基礎(chǔ)上，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)和理論體系進(jìn)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(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法?！　∥C(jī)電系統(tǒng)是用源自微電子工藝的微細(xì)加工工藝所制作的微型機(jī)械系統(tǒng)。因此.長期以來微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本上都更多地借鑒了微電子的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具，典型的有結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。而微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種復(fù)雜精密機(jī)械的設(shè)計(jì)，盡管對(duì)微電子制造工藝有很強(qiáng)的依賴性，但卻不適于用微電子的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)。因此，泛結(jié)構(gòu)化微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法特別強(qiáng)調(diào)微機(jī)電系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)、創(chuàng)成設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)。它不是對(duì)原有的微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的否定，而是在此基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高。　　本書的成果是在國家高技術(shù)研究計(jì)劃（“863”計(jì)劃）、國家自然科學(xué)基金等多年的支持下完成的，在此向有關(guān)委員會(huì)表示感謝。實(shí)驗(yàn)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(dòng)的同學(xué)們表示感謝。　　最后須要特別指出的是，微機(jī)電系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，筆者因?qū)W科知識(shí)面有限，在論述該方法的時(shí)候，主要采用了機(jī)電領(lǐng)域的例子，對(duì)于生物、流體微機(jī)電系統(tǒng)的論述較少。因此，所提出的泛結(jié)構(gòu)化微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)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(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法》提出和建立了泛結(jié)構(gòu)化微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)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(duì)當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工具的體系結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出的一種新的方法和理論，是對(duì)當(dāng)前通用的微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的重要發(fā)展和提高。依據(jù)本方法實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工具（MEMS Garden），并結(jié)合大量典型和復(fù)雜MEMS器件實(shí)例驗(yàn)證了本方法和設(shè)計(jì)工具的實(shí)用性和先進(jìn)性。　　《泛結(jié)構(gòu)化微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法》可供微機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)學(xué)科的科研人員參考。

作者簡介

　　苑偉政，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，“長江學(xué)者”特聘教授。兼任中國微納米技術(shù)學(xué)會(huì)理事、中國儀器儀表學(xué)會(huì)微納器件與系統(tǒng)技術(shù)分會(huì)副理事長、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)微納制造技術(shù)分會(huì)委員等，《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》等編委。主要從事微機(jī)電系統(tǒng)研究，留法回國后在國內(nèi)率先開展了MEMS集成設(shè)計(jì)、MEMS靈巧蒙皮、微機(jī)械準(zhǔn)分子激光微細(xì)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(xué)系統(tǒng)等方面形成了研究特色。獲省部級(jí)科技一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)5項(xiàng)?！　〕：辇?，1977年生，博士副教授。主要從事微慣性技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法及相關(guān)技術(shù)的研究。近年來，主持了國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、國家高技術(shù)研究計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目2項(xiàng)，作為課題副組長主持完成國家高技術(shù)研究計(jì)劃（“863”計(jì)劃）項(xiàng)目2項(xiàng)，研發(fā)了國產(chǎn)MEMS集成設(shè)計(jì)工具（MEMS Garden）。發(fā)表論文30余篇，申請國家發(fā)明專利27項(xiàng)，授權(quán)10項(xiàng)，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 微機(jī)電系統(tǒng)簡介1.2 微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具及設(shè)計(jì)方法簡介1.3 結(jié)構(gòu)化MEMS設(shè)計(jì)方法及面臨的挑戰(zhàn)1.4 泛結(jié)構(gòu)化MEMS集成設(shè)計(jì)方法的提出1.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第2章 泛結(jié)構(gòu)化MEMS集成設(shè)計(jì)方法的理論體系2.1 引言2.2 集成設(shè)計(jì)體系2.3 分層設(shè)計(jì)體系2.4 柔性設(shè)計(jì)體系2.5 創(chuàng)成設(shè)計(jì)體系2.6 三維設(shè)計(jì)體系2.7 小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 分層設(shè)計(jì)體系及實(shí)現(xiàn)技術(shù)3.1 引言3.2 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)3.3 器件級(jí)設(shè)計(jì)3.4 工藝級(jí)設(shè)計(jì)3.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 柔性設(shè)計(jì)體系及實(shí)現(xiàn)技術(shù)4.1 引言4.2 系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)表到工藝級(jí)二維版圖的轉(zhuǎn)換方法4.3 系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)表到器件級(jí)三維實(shí)體的轉(zhuǎn)換方法4.4 器件級(jí)三維實(shí)體到工藝級(jí)二維版圖的轉(zhuǎn)換方法4.5 器件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的宏建模轉(zhuǎn)換方法4.6 工藝級(jí)二維版圖到器件級(jí)三維實(shí)體的轉(zhuǎn)換方法4.7 工藝級(jí)二維版圖到系統(tǒng)級(jí)模型的轉(zhuǎn)換方法4.8 小結(jié)第5章 創(chuàng)成設(shè)計(jì)體系及實(shí)現(xiàn)技術(shù)5.1 引言5.2 系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)5.3 器件級(jí)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)5.4 工藝級(jí)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)5.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 宏建模方法及應(yīng)用6.1 引言6.2 模型降階的數(shù)學(xué)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(yīng)用6.8 小結(jié)參考文獻(xiàn)第7章 三維設(shè)計(jì)體系及實(shí)現(xiàn)技術(shù)7.1 引言7.2 系統(tǒng)級(jí)的三維設(shè)計(jì)7.3 器件級(jí)的三維設(shè)計(jì)7.4 工藝級(jí)的三維設(shè)計(jì)7.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 集成設(shè)計(jì)體系及實(shí)現(xiàn)技術(shù)8.1 引言8.2 集成設(shè)計(jì)工具的架構(gòu)8.3 集成設(shè)計(jì)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)8.4 小結(jié)第9章 設(shè)計(jì)工具應(yīng)用及器件設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)械陀螺9.4 平面單軸加速度計(jì)9.5 z軸加速度計(jì)9.6 微型壓力傳感器9.7 小結(jié)

章節(jié)摘錄

　　微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）主要是指通過半導(dǎo)體工藝或其他微細(xì)加工工藝制造的微型機(jī)械。其英文縮寫MEMS恰到好處地反映了其主要技術(shù)特點(diǎn)。MEMS一詞中的第一個(gè)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(jí)，隨著尺寸的縮小，顯然會(huì)降低MEMS系統(tǒng)的功耗，增大其諧振頻率，進(jìn)而提高可靠性等。因此，可以說微型化是MEMS技術(shù)的一個(gè)最顯著的特征。如此微小的結(jié)構(gòu)當(dāng)前仍主要通過硅基半導(dǎo)體工藝來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這也使得MEMS一般都具有批量化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。而目前快速發(fā)展的非硅工藝，如準(zhǔn)分子激光、飛秒激光、電火花加工等手段也可以實(shí)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(gè)字母“E”，即Electro，表明微機(jī)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(duì)微弱電信號(hào)的拾取與調(diào)理必然是不可缺少的。另一方面，這個(gè)“E”也在某一程度上代表了這項(xiàng)技術(shù)是緣于微電子行業(yè)的。第三個(gè)字母“M”代表了結(jié)構(gòu)、力學(xué)等與機(jī)械相關(guān)的東西。最后一個(gè)字母“S”代表了MEMS是一個(gè)相對(duì)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(jìn)行機(jī)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(xiàng)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(diǎn)，其已經(jīng)在航空、航天、汽車、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域都找到了很好的結(jié)合點(diǎn)。目前，全世界已經(jīng)有超過130種的MEMS器件[1]，其中打印機(jī)噴頭、微加速度計(jì)、微陀螺、微麥克風(fēng)和數(shù)字微鏡均已經(jīng)實(shí)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(yù)測，僅基于硅MEMS技術(shù)的MEMS市場在2010年就將超過100億美元。 　　……

圖書封面

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