用于恶劣环境的碳化硅微机电系统 (英)张,王晓浩,唐飞,王文弢 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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英张，王晓浩，唐飞，王文弢 著

图书标签:

• 碳化硅
• 微机电系统
• MEMS
• 恶劣环境
• 传感器
• 材料科学
• 电子工程
• 可靠性
• 高温
• 耐腐蚀

店铺： 北京群洲文化专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29328961614

包装：平装

出版时间：2010-03-01

基本信息

书名：用于恶劣环境的碳化硅微机电系统

定价：35.00元

作者：(英)张,王晓浩,唐飞,王文弢

出版社：科学出版社

出版日期：2010-03-01

ISBN：9787030268624

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.640kg

编辑推荐

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内容提要

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碳化硅以其优异的温度特性、电迁移特性、机械特性等，越来越被微电子和微机电系统研究领域所关注，不断有新的研究群体介入这一材料及其应用的研究。《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》是目前译者见到的一本系统论述碳化硅微机电系统的著作，作者是来自英国、美国从事碳化硅微机电系统研究的几位学者，他们系统综述了碳化硅生长、加工、接触、腐蚀和应用等环节的技术和现状，汇聚了作者大量的经验和智慧。
　　《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》可供从事微电子、微机械研究的科研人员参考阅读，也可以作为研究生专业课程教材或参考书目。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《高性能压电器件设计与制造》 内容简介 本书深入探讨了高性能压电器件的设计、制造、表征及其在高端应用中的集成。压电器件作为一种能够实现机电能量转换的关键组件，在传感器、驱动器、能量收集器、微泵、声学器件等众多领域扮演着至关重要的角色。本书旨在为从事压电器件研究、开发与应用的研究人员、工程师以及相关专业学生提供一份全面而深入的指导。 第一部分：压电器件基础理论与材料 压电效应综述： 本章首先从宏观和微观层面详细阐述了压电效应的物理机理，包括正压电效应（施加机械应力产生电荷）和逆压电效应（施加电场产生机械形变）。深入分析了晶体结构、对称性与压电性的内在联系，并介绍了描述压电行为的关键参数，如压电应变常数、压电电压常数、介电常数和机电耦合系数等。通过翔实的理论推导和模型分析，帮助读者建立对压电现象的深刻理解。 压电材料的分类与特性： 详细介绍了当前主流压电材料的种类，包括但不限于： 无铅压电陶瓷： 重点关注了钛酸铋（BiFeO3）基、钛酸钡（BaTiO3）基等无铅压电陶瓷的组成、微观结构、相变行为及其对压电性能的影响。分析了其在环保法规日益严格的背景下的应用前景和面临的挑战。 锆钛酸铅（PZT）陶瓷： 深入探讨了PZT陶瓷的成分设计（如PZT-5A, PZT-5H, PZT-4等），及其与弛豫相变、畴结构、晶界效应等因素之间的复杂关系。详细阐述了如何通过组分调整、烧结工艺优化来获得优异的压电、铁电和介电性能。 聚合物压电材料： 重点介绍了聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物的压电性能，分析了其柔韧性、低声阻抗等优点，以及在柔性电子、生物传感器等领域的应用潜力。 单晶压电材料： 讨论了如单晶石英（SiO2）、鈮酸锂（LiNbO3）等单晶压电材料的独特优势，包括高稳定性、低损耗以及在精密频率控制和光电调制方面的应用。 复合压电材料： 探讨了将压电陶瓷颗粒与聚合物基体复合形成的压电复合材料，分析了不同结构（如1-3型、2-2型）的设计如何优化宏观性能，以满足特定应用需求。 新型压电材料： 简要介绍了近年来涌现出的新型压电材料，如高熵压电材料、二维压电材料等，展望了其未来发展方向。 压电材料的微观机制与性能调控： 深入剖析了压电材料内部的微观结构（如晶格畸变、畴壁运动、点缺陷、晶界等）对宏观压电性能的影响机理。详细介绍了多种调控压电材料性能的策略，包括： 化学组分设计： 通过引入掺杂剂、形成固溶体等方式，调控材料的相变温度、铁电畴结构和晶格应力，从而优化压电常数、居里温度和介电损耗。 微观结构控制： 探讨了晶粒尺寸效应、晶界结构、孔隙率等对压电性能的影响，以及通过控制烧结气氛、升温速率、冷却速率等工艺参数来获得理想的微观结构。 外场调控： 分析了温度、应力、电场等外场对压电材料性能的影响，以及如何利用这些效应实现性能的动态调控。 第二部分：高性能压电器件的设计与仿真 压电器件的等效电路模型： 详细介绍了多种经典的压电器件等效电路模型，包括Butterworth-van Dyke（BVD）模型及其改进模型，分析了模型中各元器件（如电感、电阻、电容）的物理意义，以及它们与压电材料参数、器件结构和工作频率的关系。重点阐述了如何利用这些模型进行器件的阻抗匹配设计和性能预测。 压电器件的仿真方法与工具： 深入讲解了基于有限元分析（FEA）的压电器件仿真技术。详细介绍了如何建立器件的三维几何模型，定义材料属性（包括压电、介电、弹性等），设置边界条件和激励源。重点分析了电-力耦合的仿真过程，以及如何通过仿真来预测器件的固有频率、振动模式、应力分布、电荷响应以及能量转换效率。列举了常用的仿真软件（如COMSOL Multiphysics, ANSYS等）在压电器件设计中的应用案例。 压电器件的设计考虑因素： 详细阐述了在压电器件设计过程中需要考虑的关键因素： 几何形状与尺寸优化： 分析了不同器件形状（如块状、薄膜、梁、圆盘等）的特点及其对谐振频率、耦合系数和能量输出的影响。探讨了通过优化几何参数来提高器件性能的方法。 电极设计： 讨论了电极材料的选择（如贵金属、镍、铜等）、形状、厚度以及与压电材料的界面特性对电荷收集和电场分布的影响。 机械耦合与阻抗匹配： 强调了器件与外部机械系统之间的耦合设计的重要性，以及如何通过阻抗匹配来最大化能量传输效率，尤其是在能量收集和声学应用中。 工作频率与带宽： 分析了器件的固有谐振频率、反谐振频率以及工作带宽对应用性能的影响，以及如何通过结构设计和材料选择来满足特定频率要求。 可靠性与寿命： 讨论了长期工作下的应力疲劳、介电击穿、电化学腐蚀等可靠性问题，以及在设计阶段如何通过材料选择、结构加强和工艺控制来提高器件的寿命。 第三部分：高性能压电器件的制造工艺 压电陶瓷器件制造： 详细介绍了高性能压电陶瓷器件的经典制造流程： 粉体制备： 涵盖了固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等多种粉体制备技术，重点分析了不同方法对粉体粒度、形貌、纯度和均匀性的影响。 成型技术： 详细介绍了带式过滤、干压、注浆、流延、等静压等成型工艺，以及它们在制备不同形状和尺寸的陶瓷坯体中的应用。 烧结工艺： 深入探讨了烧结温度、气氛、升温速率、保温时间等关键参数对陶瓷致密化、晶粒生长、相结构以及最终压电性能的影响。重点分析了高温固相反应、烧结助剂的作用。 电极制备： 介绍了丝网印刷、溅射、电镀等电极制备方法，以及电极与陶瓷基体的结合强度、电导率和高温稳定性。 后处理： 包括研磨、抛光、热处理等，旨在改善器件的表面光洁度、尺寸精度和电性能。 薄膜压电材料与器件制造： 重点介绍了制备高性能压电薄膜的关键技术： 物理气相沉积（PVD）： 详细阐述了溅射（Sputtering）、蒸发（Evaporation）等PVD技术在制备高质量压电薄膜中的应用，包括靶材选择、工艺参数（如气体压力、功率、基底温度）的优化。 化学气相沉积（CVD）： 介绍了CVD技术，特别是金属有机化学气相沉积（MOCVD）在制备高致密、晶向取向好的压电薄膜中的优势。 溶液前驱体化学法： 重点介绍了溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、水热法（Hydrothermal）、微波辅助合成等溶液法制备压电薄膜的技术，强调其成本低、易于大面积制备等优点。 薄膜器件加工： 讨论了薄膜的图案化（如光刻、干法/湿法刻蚀）、电极连接、封装等工艺流程，以及如何实现高密度、微型化的压电器件制造。 聚合物压电材料的加工与器件制作： 介绍了PVDF等聚合物压电材料的加工方法，包括挤出、涂布、压延等。重点分析了极化处理（如高压直流极化、电晕极化）对聚合物压电性能提升的关键作用，以及如何在此基础上制作柔性传感器、驱动器等器件。 复合压电器件的集成工艺： 探讨了如何将不同材料（如压电陶瓷、聚合物、金属电极、衬底等）进行有效地集成，以构建具有特定功能的复合压电器件，包括黏接、封装、互连等工艺技术。 第四部分：压电器件的表征与测试 静态性能表征： 压电常数测量： 详细介绍了准静态法（如施加直流电压测量形变）和动态法（如施加交流信号测量电荷）等测量压电应变常数（d33, d31等）和压电电压常数（g33, g31等）的实验方法和装置。 介电性能测试： 介绍了测量介电常数（εr）、损耗角正切（tanδ）以及居里温度（Tc）的实验技术，包括LCR测试仪的使用。 铁电性能测试： 描述了测量剩余极化强度（Pr）、矫顽场（Ec）等铁电参数的方法，如P-E滞回曲线测量。 动态性能表征： 谐振频率与阻抗谱分析： 重点介绍了阻抗谱分析仪（Impedance Analyzer）在测量器件的谐振频率（fr）、反谐振频率（fa）、机电耦合系数（k）、品质因数（Qm）等动态参数中的关键作用。 振动模态分析： 介绍了激光多普勒测振仪（LDV）、原子力显微镜（AFM）等技术在可视化器件振动模式和幅值分布中的应用。 能量收集效率测试： 描述了如何搭建实验平台，模拟外部机械激励，测量压电器件将机械能转化为电能的效率，包括输出电压、电流、功率和转换效率的测量。 可靠性与耐久性测试： 高低温循环试验： 探讨了器件在不同温度环境下长期工作的性能变化。 湿度与腐蚀试验： 分析了环境湿度和腐蚀性介质对器件材料和电极的影响。 机械应力疲劳测试： 模拟实际应用中的机械循环加载，评估器件的疲劳寿命。 电应力老化试验： 评估器件在长期电场作用下的稳定性。 第五部分：高性能压电器件的应用 微传感器： 加速度计与振动传感器： 介绍了压电加速度计的工作原理，以及其在工业监测、汽车安全、消费电子等领域的应用。 力与压力传感器： 阐述了压电传感器如何将机械力或压力转化为电信号，广泛应用于称重、触控、医疗监测等。 生物传感器： 讨论了压电材料在检测生物分子、细胞活动等方面的应用，以及其高灵敏度和生物相容性优势。 声学传感器： 包括麦克风、水听器等，利用压电效应将声波转化为电信号。 微驱动器与执行器： 精密定位与微位移平台： 介绍了压电驱动器在纳米精度定位、光学扫描、流体控制等领域的高精度驱动能力。 微泵与微阀： 阐述了压电驱动的微泵如何实现液体或气体的精确输送，在微流控、医疗器械等领域应用广泛。 声学换能器： 包括超声换能器（用于成像、治疗、测距）、扬声器等，利用逆压电效应将电信号转化为声学振动。 能量收集器： 环境能量收集： 重点介绍了利用压电材料从振动、冲击、声波等环境中收集电能的技术，为低功耗传感器节点、物联网设备等提供持续能源。 能量收集器件的设计与优化： 讨论了如何根据不同的能量源设计压电能量收集器的结构、材料和电路。 其他新兴应用： 压电式点火装置： 简述其工作原理和应用。 压电式发电机： 在特定场合下的应用。 集成器件与系统： 讨论了将压电器件与微电子、微光学等技术集成，构建复杂功能系统。 结论与展望 本书最后对高性能压电器件的研究现状进行了总结，并对未来的发展方向进行了展望，包括新材料的开发（如二维压电材料、柔性压电材料）、先进制造技术的探索（如3D打印、纳米压印）、智能化与集成化设计以及在新能源、生物医学、智能制造等前沿领域的进一步拓展。 本书特色： 理论与实践相结合： 既深入阐述了压电器件的基础理论，又详细介绍了实际的设计、制造和测试方法。 材料体系全面： 涵盖了陶瓷、聚合物、单晶、复合等主流压电材料。 工艺方法详实： 提供了从粉体制备到薄膜沉积、器件加工的全流程工艺介绍。 应用领域广泛： 结合了传感器、驱动器、能量收集器等多个重要应用方向。 图文并茂： 配备了大量的示意图、照片和实验数据，便于读者理解。 本书的出版，旨在为推动压电器件科学与技术的发展提供一份重要的参考，并激励更多的研究者和工程师投身于这一充满活力的领域。

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这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》着实让我眼前一亮，尤其是在我最近负责的一项高精度传感器项目遇到瓶颈之后。我们现在的传感器，虽然在常温常压下表现优异，但在实际工作环境——一个充满了腐蚀性气体且温度波动剧烈的化工厂——性能急剧下降，精度偏差令人担忧。市面上现有的解决方案要么成本高昂，要么寿命短暂。当我看到这本书的标题时，立刻联想到碳化硅（SiC）材料以其近乎钻石的硬度和卓越的耐腐蚀性闻名，这不正是我们项目所急需的吗？我非常好奇书中是如何将这种高性能材料与微机电系统（MEMS）技术相结合的。我希望能看到书中详细阐述碳化硅MEMS器件的设计理念，如何利用碳化硅的固有属性来克服传统硅基MEMS的局限性。例如，书中是否会介绍用于制造碳化硅MEMS器件的具体工艺流程？是采用晶圆键合技术，还是其他的创新方法？还有，对于器件的封装技术，在如此恶劣的环境下，如何保证封装的完整性和可靠性，防止外部介质的侵入，从而延长器件的寿命？我尤其关注书中是否会提供一些实际案例，比如碳化硅MEMS传感器在极端腐蚀性介质中的长期工作表现数据，或者在高温高压条件下的性能稳定性评估。若能有关于碳化硅MEMS在工业自动化、环境监测等恶劣工况下的应用前景分析，那就更完美了。

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这本书的出现，可以说正是我作为一名工业界资深工程师一直在寻找的“答案”。我们公司一直在致力于开发一种能够在核反应堆内部工作的监测设备。这个环境的特点是极高的温度、强烈的辐射以及高压。现有的传感器和电子元器件在这个环境下寿命非常短，维护成本巨大，而且存在潜在的安全风险。传统硅基MEMS在这个环境下几乎无法生存。我一直关注碳化硅（SiC）材料，因为它在高温和辐射环境下展现出的卓越稳定性，但如何将其有效地转化为可工作的MEMS器件，一直是我们技术团队面临的难题。我希望这本书能提供从材料特性到器件实现的全方位指导。我尤其想知道书中是否会详细阐述碳化硅MEMS器件的制造工艺，例如，如何在高纯度碳化硅衬底上进行精确的微纳加工？是否会介绍在高温或高辐射环境下，碳化硅器件的性能衰减规律和预测模型？书中是否会提供一些成功的碳化硅MEMS应用案例，比如在高温气体传感器、辐射探测器、或者高温执行器等方面的实际部署和运行数据？如果能包含碳化硅MEMS器件在极端环境下的可靠性评估和寿命预测的理论框架，那将极大地促进我们新一代核监测设备的开发。

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我是一名高校博士生，研究方向是微纳传感器件的设计与制造。在撰写博士论文的过程中，我遇到了一个棘手的问题：如何提高传感器在极端温度条件下的响应灵敏度和稳定性。我查阅了大量的文献，也尝试过不同的材料和结构，但效果都不尽如人意。偶然间，我看到这本书的介绍，其标题“用于恶劣环境的碳化硅微机电系统”立即吸引了我的注意。碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，其优异的热学和电学性能一直备受关注，尤其是在高温环境下，其性能衰减远小于硅。我非常希望这本书能够深入探讨碳化硅材料在MEMS器件中的应用原理。书中是否会从材料科学的角度，详细解析碳化硅的晶体结构、能带特性，以及这些特性如何影响其在传感器件中的电荷传输和信号转换效率？此外，我特别关注书中对于碳化硅MEMS器件的物理模型构建和仿真分析。例如，如何建立碳化硅热敏传感器或压力传感器的仿真模型，并准确预测其在不同温度下的输出特性？书中是否会介绍一些用于提高碳化硅MEMS器件性能的结构优化方法，比如利用微梁、微膜等结构设计来增强其灵敏度或抗应力能力？如果书中能包含碳化硅MEMS器件在高温下的性能退化机制和失效分析，那将对我论文的深入研究有极大的帮助。

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我是一位对新兴技术充满好奇心的电子爱好者，同时也是一名非专业的技术博主。我一直在关注微电子领域的最新进展，尤其是那些能够突破现有技术瓶颈的创新。碳化硅（SiC）在功率器件领域的应用早已如雷贯耳，其优异的高温和高压特性让我印象深刻。而MEMS技术则在传感器和微型执行器方面扮演着越来越重要的角色。当我看到《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这本书的介绍时，我立刻被其结合了两种前沿技术的潜力所吸引。我非常期待这本书能够以一种相对易懂的方式，向我这样的爱好者解释碳化硅MEMS技术的基本原理。书中是否会从宏观的角度，介绍碳化硅材料的独特优势，以及为什么它特别适合用于制造MEMS器件？是否会用图文并茂的方式，展示碳化硅MEMS器件的典型结构和工作机制，比如碳化硅陀螺仪、加速度计或者微镜阵列？我希望书中也能提及碳化硅MEMS技术在一些令人兴奋的未来应用场景，比如在自动驾驶汽车的传感器、高性能无人机的导航系统，或者甚至是太空探索中的微型探测器。如果书中能包含一些碳化硅MEMS器件的制备流程概览，让我能够对这项技术的复杂性有一个初步的认识，那就更好了。

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这本书，我是在一个学术会议上听了其中一位作者（记不清是张还是王了，名字有点像，但印象深刻的是他们的研究方向）的报告后，慕名而来的。当时他们展示了一些MEMS器件在极端温度下的工作性能，给我留下了深刻的印象。我是一名材料工程师，主要负责新材料在航空航天领域的应用。在实际工作中，我们经常面临传感器和执行器在高强度辐射、超高温或超低温等恶劣环境下的可靠性问题。硅基MEMS器件虽然应用广泛，但在这些极端条件下往往性能衰减严重，甚至失效。因此，我一直非常关注能够应对这些挑战的新型材料和技术。这本书的标题“用于恶劣环境的碳化硅微机电系统”恰好击中了我内心最迫切的需求。我期待书中能深入探讨碳化硅材料本身的优势，比如其优异的热学、力学和电学性能，以及这些特性如何转化为MEMS器件在严苛环境下的高性能表现。尤其感兴趣的是，书中是否会详细介绍碳化硅MEMS器件在制备工艺上的独特之处，例如高温外延、刻蚀技术等，以及如何通过结构设计来进一步提升器件的抗应力、抗腐蚀能力。如果书中能提供实际的应用案例分析，比如在深空探测、核能领域或高温工业过程中的应用，那将是对我工作极大的启发。总而言之，我希望这本书能为我提供坚实的理论基础和实用的技术指导，帮助我在工作中更好地理解和应用碳化硅MEMS技术，攻克材料应用的难关。