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[英] 张，王晓浩，唐飞，王文弢 著

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

店铺： 炫丽之舞图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29574367618

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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《严酷环境下的硅基微纳器件：原理、制备与挑战》 内容简介 本书深入探讨了在极端工作条件下（如高温、强辐射、高压、腐蚀性介质等）可靠运行的硅基微纳机电系统（MEMS）所面临的挑战、核心原理、先进的制备技术以及前沿的研究方向。虽然书中不涉及碳化硅（SiC）材料本身，但其所阐述的普适性硅基MEMS在恶劣环境下的设计、制造和表征的知识体系，为理解和开发高性能、高可靠性微系统提供了坚实的基础，尤其为那些需要突破传统材料限制、寻求更广泛应用场景的工程技术人员和研究学者提供了宝贵的参考。 第一章 绪论：恶劣环境对微纳器件的挑战与机遇 本章首先界定“恶劣环境”的范畴，详细列举了高温（>300°C）、强电离辐射（>10^5 Gy）、高静水压（>10 MPa）、强化学腐蚀（如HF、H2SO4、Cl2等）、高真空、极低温等典型工况。随后，分析了这些环境因素对传统硅基MEMS器件的潜在影响，包括材料性能退化（如电学特性改变、机械强度下降、氧化层失效）、器件功能失常（如传感器精度漂移、驱动器卡死、密封失效）、可靠性急剧降低以及使用寿命缩短等。 接着，从应用需求的角度出发，强调了在石油天然气勘探、深空探测、核工业、航空航天、工业过程控制、生物医学植入体等领域，对能够在恶劣环境中稳定工作的微纳器件日益增长的需求。这些需求驱动着对新型材料、先进设计方法和鲁棒制造工艺的探索。本章旨在为读者建立一个宏观的认识框架，理解为何需要针对恶劣环境优化硅基MEMS，并指出其中蕴含的研究和工程机遇。 第二章 硅基材料在极端环境下的基本物理化学行为 本章聚焦于作为核心材料的硅（Si）本身，在不同恶劣环境下的物理和化学响应。 高温效应： 详细阐述了晶体硅在高温下的晶格振动增强、载流子浓度增加、导电类型转变（N型向P型转变）、氧化速率急剧升高、以及机械性能（如杨氏模量、屈服强度）随温度变化的规律。分析了掺杂浓度在高温下的扩散和退火效应，以及 PN结在高温下的漏电流特性。 辐射效应： 探讨了不同类型的电离辐射（如伽马射线、中子、质子）对硅材料的损伤机理。重点分析了辐射诱导的载流子产生与复合、点缺陷（如空位、间隙原子、取代杂质）的形成及其对硅的导电性、介电常数、光学特性的影响。讨论了电介质层（如SiO2）在辐射下的陷阱形成、电荷积累和漏电增强问题。 化学腐蚀： 详细介绍了硅在不同化学介质中的腐蚀动力学，包括湿法腐蚀（如HF、H2SO4、HNO3、KOH等）和干法腐蚀（如Cl2、O2等等离子体）。分析了腐蚀速率与介质浓度、温度、晶体取向、杂质含量等因素的关系。重点关注腐蚀对器件表面形貌、尺寸精度和器件性能的影响。 机械载荷与热应力： 分析了高压、加速度、振动和温度梯度等机械及热应力对硅结构完整性的影响。探讨了断裂力学在预测硅基MEMS失效中的应用，以及热膨胀失配导致的热应力分布与器件形变。 第三章 硅基MEMS器件在恶劣环境下的设计考量 本章从器件设计层面入手，提出在恶劣环境下提高硅基MEMS器件可靠性的策略。 材料选择与优化： 尽管书中不包含SiC，但会讨论如何通过选择特定掺杂类型、掺杂浓度、晶体取向来优化硅材料的耐高温、耐辐射或耐腐蚀性能。例如，研究在高掺杂浓度下降低高温引起的电导率变化，或者利用某些晶向减少特定腐蚀介质的侵蚀。 结构设计与鲁棒性： 详细介绍如何通过改变器件的几何形状、厚度、支撑结构、微梁设计等来提高其抗应力、抗形变能力。例如，设计具有更大截面的微梁以承受更高的拉伸应力，采用减应力设计以缓解热应力引起的器件变形，或者优化封装结构以隔绝腐蚀性介质。 封装与保护策略： 强调了器件封装在恶劣环境下的关键作用。讨论了不同封装材料（如陶瓷、金属、特种聚合物）在高低温、高压、辐射环境下的适用性。研究了密封技术（如玻璃-金属封接、钎焊、键合）的可靠性，以及惰性气体填充、吸附剂使用等防止内部腐蚀的措施。 仿真与建模： 介绍了利用多物理场仿真工具（如COMSOL、ANSYS等）对硅基MEMS器件在恶劣环境下的性能进行预测的方法。包括应力分析、热分析、电场分析、流体动力学分析以及耦合场分析。强调了准确的材料本构模型和环境参数输入对于仿真结果准确性的重要性。 第四章 硅基MEMS的先进制备技术与工艺优化 本章聚焦于能够制造出适用于恶劣环境的硅基MEMS器件的先进制造技术。 高性能微加工技术： 深反应离子刻蚀（DRIE）： 详细阐述DRIE工艺（如Bosch工艺）在制造高深宽比、精密结构的硅基MEMS中的优势。讨论如何通过优化刻蚀参数（如侧壁保护、刻蚀/钝化周期）来获得光滑、垂直的侧壁，减少应力集中，提高器件的机械强度。 其他刻蚀技术： 介绍等离子体刻蚀、湿法腐蚀等传统及改进技术的应用，以及它们在特定材料去除或表面处理中的作用。 掺杂与表面改性： 离子注入与扩散： 探讨在高温或高辐射环境下，掺杂浓度和分布对硅性能的影响。研究了不同掺杂工艺（如等离子体掺杂、固相源掺杂）在提高掺杂均匀性和深度的优势。 表面钝化与涂层： 介绍用于提高器件耐腐蚀性、耐磨损性或绝缘性的表面处理技术。例如，氮化硅（SiNx）、氧化硅（SiO2）的高温退火处理，以及金、铂、镍等贵金属或抗腐蚀合金的物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）涂层。 键合与封装工艺： 各种晶圆键合技术： 详细介绍硅-硅键合、硅-玻璃键合、金属键合等技术，以及它们在高低温、真空环境下应用的可靠性。重点分析了固相键合、阳极键合、共晶键合等方法的特点和工艺控制要点。 微型互连技术： 探讨在恶劣环境下保证信号传输稳定性的微连接技术，如引线键合、倒装芯片、以及更先进的3D集成互连技术。 第五章 硅基MEMS在恶劣环境下的性能表征与可靠性评估 本章关注如何准确地评估硅基MEMS器件在实际工作环境中的性能和寿命。 高温性能测试： 介绍在高温环境下进行的器件性能测试方法，包括参数测量（如电阻、电容、灵敏度、响应时间）、老化测试以及加速寿命试验。 辐射效应测试： 详细说明不同剂量的辐射对器件关键参数的影响测试。介绍总剂量效应（TID）和单粒子效应（SEE）的测试设备和方法。 腐蚀与浸泡测试： 阐述模拟不同化学介质暴露的测试方法，包括静态浸泡、动态流动腐蚀试验，以及对器件表面形貌和性能变化的监测。 机械性能与应力测试： 介绍振动台、冲击试验机、压力测试设备等，用于评估器件在机械载荷下的鲁棒性。利用应变片、光学干涉等方法进行应力分布的测量。 可靠性预测与失效分析： 讨论如何基于测试数据建立可靠性模型，预测器件的平均无故障工作时间（MTTF）。介绍失效机理分析（FMA）的方法，通过显微镜检查、能谱分析（EDX）、X射线衍射（XRD）等手段，定位和分析失效原因。 第六章 展望：未来硅基MEMS在极端环境下的发展趋势 本章对未来硅基MEMS在恶劣环境下的发展进行展望。 新材料复合与界面工程： 探索通过在硅基底上生长或沉积具有更高耐温、耐辐照、耐腐蚀性能的薄膜材料（例如，在高强度环境下，虽然书中不直接提及SiC，但会触及材料选择的普适性原则，如对硬度和化学惰性材料的关注），或者利用纳米结构实现性能的飞跃。 智能化设计与自适应能力： 发展能够感知环境变化并自我调整工作参数的智能MEMS器件。 更先进的制造工艺： 探索原子层沉积（ALD）、纳米压印等技术在实现超高精度、超薄膜制备方面的潜力，以及微纳3D打印技术在复杂结构制造中的应用。 多功能集成与系统化： 强调将传感器、执行器、信号处理电路等集成在同一硅片上，构建更紧凑、更强大的微系统，以应对复杂多变的恶劣工作环境。 本书以详实的数据、深入的原理分析和丰富的实例，为读者提供了一个全面了解和掌握在严酷环境中工作的硅基MEMS器件的设计、制造和评估的知识体系。虽然不包含对碳化硅材料的特定探讨，但书中关于材料特性、器件设计、工艺实现以及可靠性保证的通用原理和方法，对于理解和开发任何能够在极端条件下工作的微纳机电系统都具有极高的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，一个好的技术书籍，不应该仅仅停留在理论的层面，更应该能够展现出技术在现实世界中的巨大价值。《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这个书名，就让我预感它会是一本能够连接理论与实践的重量级作品。我设想书中必定会深入浅出地介绍碳化硅（SiC）这一材料的特性，并解释为何它如此适合应用于那些对传统材料来说是“禁区”的环境。我尤其好奇书中是否会详细阐述SiC在MEMS（微机电系统）制造中的具体工艺流程，比如如何在外延生长、光刻、刻蚀等环节中，利用SiC的特性来构建出耐高温、耐腐蚀的微型器件。我期待书中能提供丰富的实例，展示SiC-MEMS技术如何在航空航天、深海探测、地热能源、汽车发动机等领域发挥关键作用，例如在高温高压传感器、高频通信器件、甚至是在极端环境下工作的微型泵和阀门。我想象书中会用大量的图表、照片和实际应用案例来生动地展示这些技术，让读者能够直观地感受到SiC-MEMS的强大生命力。这本书在我眼中，就像是打开了一扇窗，让我们得以窥见那些默默支撑着现代工业发展，却又鲜为人知的关键技术。

评分☆☆☆☆☆

听到“恶劣环境”和“碳化硅微机电系统”这几个关键词组合在一起，我的脑海中立刻勾勒出一幅充满挑战的画面：想象一下，在深邃的海底，巨大的压力和腐蚀性的海水无时无刻不在考验着设备；或者是在炽热的火山内部，超过千摄氏度的温度足以熔化大多数材料。在这种极端条件下，我们如何才能让微小的智能设备依然稳定可靠地工作？《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这本书，似乎就是为解答这些疑问而生。我猜测书中会详细阐述碳化硅（SiC）这种半导体材料的独特优势，例如其出色的热学、电学和化学稳定性，以及这些特性如何在微机电系统（MEMS）的设计和制造过程中被充分利用。我非常期待书中能够深入探讨SiC-MEMS在传感器、执行器等方面的具体应用，以及相关的制造技术和封装工艺。我设想书中会包含大量的研究成果和实验数据，用以证明SiC-MEMS在应对高温、高压、腐蚀、辐射等极端环境下的优越性能。这本书对我而言，不仅仅是一本技术手册，更是一份对于未来科技发展方向的有力探索，它预示着我们能够将精密的智能技术带到更多之前难以企及的领域。

评分☆☆☆☆☆

初次接触这本书，我脑海中浮现的是一系列令人惊叹的科技画面：深邃的海洋底部，探测器在巨大的压力下精确测量着水文数据；炙热的火山熔岩附近，传感器丝毫不受高温影响，持续监测着地质活动；甚至是在太空的辐射环境中，精密仪器的稳定运行也依赖于某种特殊的材料。而《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这本书，似乎就解答了如何实现这一切的奥秘。我猜测书中一定会详细介绍碳化硅（SiC）这种半导体材料的独特性能，例如它极高的击穿电压、良好的热导率以及出色的化学惰性，这些特性使得它在面对高温、高压、强腐蚀介质以及高辐射等极端环境时，能够表现出远超传统硅基材料的稳定性。我期待书中能够从微观层面，也就是MEMS（微机电系统）的层面，来阐述SiC材料如何被加工成具有特定功能的微型器件，例如微传感器、微泵、微阀门等，并且这些器件是如何被集成到复杂的系统中，以应对各种严酷的工况。我非常好奇书中是否会提及一些具体的案例研究，比如SiC-MEMS在汽车发动机舱内的温度和压力监测，或者是在核反应堆内的辐射剂量测量，又或者是深海油气勘探中的高压传感器。这些实际应用场景无疑会极大地增强我对于这本书内容的可信度和实用性的认知。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透露着一种坚韧不拔的工业美学，暗沉的背景色调下，隐约可见的微观结构图似乎在诉说着某种不可征服的力量。我本身并非直接从事MEMS（微机电系统）研发的专业人士，但出于对前沿科技和材料科学的好奇，我翻开了这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》。坦白说，书名本身就极具吸引力，它勾勒出一种在高压、高温、腐蚀等极端条件下依然能够稳定运行的智能设备，这无疑是许多工业领域梦寐以求的解决方案。从我个人的理解来看，书中必定会深入探讨碳化硅（SiC）这种材料为何能够胜任如此严苛的挑战，它的晶体结构、化学稳定性以及电学特性如何在极端环境下保持优势。我尤其期待书中能够详细阐述SiC在不同类型的微机电系统中的具体应用，比如传感器、执行器，甚至是一些更复杂的集成电路。毕竟，能够在深海探测、航空航天、能源开采等领域大放异彩的微型设备，其背后的材料科学和工程技术必定是值得深挖的。我设想书中会用大量的图表和实验数据来佐证其观点，并且会分析现有SiC-MEMS技术的局限性以及未来发展方向，例如新的制造工艺、封装技术以及与其他先进材料的结合等等。总之，这本书在我看来，不仅仅是一本关于特定材料和技术的学术著作，更是一扇通往未来工业应用的可能性之门。

评分☆☆☆☆☆

我一直对能够突破常规限制的技术感到着迷，而“恶劣环境”这个词汇，本身就充满了挑战和无限可能。《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》这本书，无疑触及了这一领域的核心。当我看到这个书名时，我的脑海里 immediately 闪现出各种充满戏剧性的场景：可能是高耸入云的飞机引擎内部，承受着巨大的气流和温度变化；也可能是深埋地下的石油钻井平台，面对着高温高压和腐蚀性的泥浆；又或者是在外太空，各种宇宙射线和极端温差对设备提出严峻考验。我相信这本书必定会深入剖析碳化硅（SiC）作为一种优异材料，是如何通过微机电系统（MEMS）技术，实现这些“不可能”的任务的。我猜想书中会详细介绍SiC的物理化学性质，比如其极高的热稳定性、抗氧化性和抗化学腐蚀性，以及这些性质如何在微观结构的设计和制造中得到充分发挥。我非常期待书中能有关于SiC-MEMS传感器、执行器等关键组件的详细讲解，例如它们是如何在极端环境下工作的，以及如何克服材料本身在微细加工过程中可能遇到的难题。这本书对我而言，不仅仅是了解一种材料，更是理解一种解决复杂工程挑战的思路和方法。