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孙以材，庞冬青著 著

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出版社： 冶金工业出版社

ISBN：9787502447946

商品编码：29624943503

包装：平装

出版时间：2009-03-01

基本信息

书名：微电子机械加工系统(MEMS)技术基础孙以材

定价：26.00元

作者：孙以材,庞冬青著

出版社：冶金工业出版社

出版日期：2009-03-01

ISBN：9787502447946

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：大32开

商品重量：0.182kg

编辑推荐

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本书着重于MEMS元件设计中的有限元静电场和电流场，温度场，MEMS元件各向同性应力场和各向异性应变分析及压电效应介绍。本书重点还放在MEMS元件制造，包括硅片腐蚀加工和硅片键合，封装和引线。编者在上述各方面曾作过许多研究，完成多项科研任务，有的经验和收获。

内容提要

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MEMS技术是21世纪发展的重大技术，涉及国防、航天、医疗等领域。本书以各种微型阀、微型泵、微型马达、压电元器件的制造为目的，阐述其功能，所依据的物理原理及定律。本书还详细介绍了电学，热学和力学有限元方法的要领，相关软件的使用及硅片的加工处理方法。阅读本书，可以为MEMS元件的设计和制造打下较好的基础，从而可以灵活应用所学知识。
本书可供国防、航天、医疗等专业的技术人员阅读，也可供大专院校有关专业师生参考。

目录

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1 静电场数值计算有限元方法
1.1 静电场中重要定律和方程
1.1.1 欧姆定律
1.1.2 奥-高定律
1.1.3 静电场中的泊松（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 静电场能量
1.2 变分原理与泛函
1.2.1 变分原理与泛函
1.2.2 场域中存在电荷时泛函L（φ）
1.3 静电场有限元法的计算过程
1.3.1 场域的剖分与函数的近似表示
1.3.2 泛函的计算过程
1.3.3 综合方程的系数矩阵形式
1.4 静电场有限元数值计算在电流场电势分析中的应用实例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 计算结果
2 应力场数值计算有限元方法
2.1 有限元应力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的输入信息
2.1.3 应力分析的输出信息
2.1.4 图形输出
2.1.5 总评
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用
2.2.1 ANSYS力学分析步骤
2.2.2 问题的提出
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理
2.3.1 弹性膜的有限元剖分
2.3.2 虚功原理的应用
2.3.3 单元刚度方程与整体刚度方程
2.3.4 整体刚度方程的求解
2.3.5 弹性膜应力分布有限元法计算结果
2.4 压力传感器三维有限元法应力计算简介
2.4.1 单元的选择与形变自由度
2.4.2 用结点位移表示单元中任何一点位移
2.4.3 单元刚度矩阵
2.4.4 总体刚度方程
2.4.5 计算结果
2.5 高温压力传感器热模拟
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作为绝缘层时的比较
2.5.3 散热层不同厚度时衬底温度的比较
2.5.4 散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较
2.6 受径向力圆环中正应力的周向分布规律及其应力计算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推导正应力的周向分布规律
2.6.3 力的平衡条件
2.6.4 利用力矩平衡条件决定A值
2.6.5 计算结果
2.7 MEMS单晶元件各向异性正应变的计算
2.7.1 概述
2.7.2 在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量
2.7.3 正应力作用下晶面正应变机理
2.7.4 不同晶向正应变与正应力间的关系
3 硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工
3.1 概况
3.2 湿化学腐蚀
3.2.1 电化学腐蚀机理
3.2.2 影响腐蚀速率的因素
3.2.3 阳极腐蚀法
3.2.4 凸角腐蚀及其补偿
3.2.5 无掩膜KOH腐蚀技术
3.2.6 各向异性腐蚀过程计算机模拟
3.2.7 腐蚀过程的几何分析
3.2.8 二维腐蚀过程计算机模拟
3.2.9 三维腐蚀过程计算机模拟
3.3 微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺
3.3.1 常用腐蚀液及其特性
3.3.2 硅杯压力腔口掩膜尺寸设计
3.3.3 适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构
3.3.4 KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术
3.3.5 各向异性腐蚀设备
3.3.6 简易双面对准技术
3.4 表面微机械加工——牺牲层技术
3.5 等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用
3.6 微细电化学加工技术
3.6.1 微细电铸
3.6.2 微细电解加工
4 MEMS系统的封装
4.1 MEMS系统的封装意义及要求
4.1.1 封装的作用与意义
4.1.2 MEMS封装设计中需要考虑的重要问题
4.1.3 封装结构及封装材料
4.1.4 接口问题
4.1.5 封装外壳设计
4.1.6 热设计
4.1.7 封装过程引起的可靠性问题
4.1.8 封装成本
4.2 焊球栅阵列倒装芯片封装技术
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏结
4.3.2 共晶键合
4.3.3 阳极键合
4.3.4 冷焊
4.3.5 钎焊
4.3.6 硅-硅直接键合
4.3.7 玻璃密封
4.4 硅片与硅片低温直接键合
4.4.1 各种硅-硅直接键合法
4.4.2 硅-硅酸钠-硅低温直接键合过程
4.4.3 影响键合质量的因素
4.4.4 质量检测方法
4.5 封接材料的性质
5 微电子机械元件的引线
5.1 MEMS元件的引线键合
5.1.1 引线的作用
5.1.2 对键合引线材料的要求
5.1.3 MEMS元件中应用的引线键合工艺
5.2 MEMS系统压力传感器的引线键合工艺
5.2.1 超声键合设备
5.3 引线的可靠性与可键合性
5.3.1 材料间键合接触时的冶金学效应
5.3.2 各种材料的键合接触
5.4 压力传感器的键合工艺及效果
5.4.1 芯片电路及引线
5.4.2 压力传感器键合工艺步骤
6 MEMS元件的制作
6.1 硅膜电容型压力传感器
6.1.1 电容变化量与流体压力的关系
6.1.2 测定方法
6.2 压电型压力传感器
6.2.1 压电材料和压电效应
6.2.2 压电方程与压电系数
6.2.3 表面电荷的计算
6.2.4 压电型压力传感器的电荷测量
6.2.5 压电型压力传感器的结构及其特点
6.3 MEMS微型阀和微型泵的制作
6.3.1 微型阀
6.3.2 微型泵
6.4 基于压电原理的MEMS微驱动器
6.4.1 压电纳米驱动器
6.4.2 压电喷墨头
6.5 气体传感器阵列中微加热器的制作
6.5.1 利用扩散电阻作加热器
6.5.2 微型热板式加热器（MHP）
6.5.3 绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器
6.6 微型燃烧器的制作
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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微机电系统（MEMS）技术：微观世界的精密制造与无限可能 引言 在科技飞速发展的今天，我们生活在一个日益微缩的精密世界里。从智能手机内部驱动屏幕显示的微小传感器，到汽车安全气囊中检测碰撞的加速度计，再到医疗领域用于诊断疾病的微型探针，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）的身影无处不在，深刻地改变着我们的生活方式和产业格局。MEMS技术的核心在于将机械结构、电子器件以及先进的制造工艺巧妙地集成在硅片等微小基板上，赋予这些微观结构感知、驱动、控制和信息处理的能力，从而催生出无数创新应用。 MEMS技术的核心理念与发展历程 MEMS技术并非一日之功，它的发展是一个漫长而又激动人心的探索过程。其根源可以追溯到上世纪中叶对半导体制造技术的深入研究。早期的集成电路（IC）制造工艺，如光刻、刻蚀等，为MEMS技术的发展奠定了坚实的基础。科学家们发现，通过对这些成熟的半导体工艺进行巧妙的拓展和创新，不仅能够制造出微小的电子器件，还能在其旁边甚至集成到同一芯片上制造出微型的机械结构。 MEMS技术的真正兴起，则可以追溯到20世纪80年代。当时，人们开始意识到将机械功能与电子控制集成在同一芯片上的巨大潜力。这一时期，研究人员开始探索各种微观加工技术，例如： 体硅加工（Bulk Micromachining）：通过腐蚀硅体内部来形成三维微结构。这种技术可以制造出相对复杂的机械部件，例如悬臂梁、薄膜和微镜等。 表面硅加工（Surface Micromachining）：在硅表面沉积和刻蚀多层材料来构建微结构。这种技术适用于制造扁平的微结构，如微型齿轮、微型电机和微型传感器等。 LIGA工艺：这是一种特殊的微加工技术，结合了X射线光刻、深层电镀和模具脱离。LIGA工艺能够制造出具有高深宽比、复杂形状和各种材料（包括非硅材料）的微结构，为MEMS器件的设计提供了更大的灵活性。 晶圆键合（Wafer Bonding）：通过将两片或多片晶圆进行键合，形成具有复杂三维结构的MEMS器件。这种技术常用于制造需要多层结构集成的器件，例如微流控芯片和封装技术。 随着这些加工技术的不断成熟和优化，MEMS器件的性能不断提升，应用领域也日益广泛。从最初的压力传感器、加速度计等基本器件，到后来的陀螺仪、微镜阵列、微喷墨打印头，再到如今的射频MEMS（RF MEMS）、生物MEMS（BioMEMS）和光MEMS（Optical MEMS），MEMS技术的发展呈现出多学科交叉、功能集成化和智能化发展的趋势。 MEMS技术的核心组成部分 任何一个MEMS器件，无论其最终功能如何，都通常包含以下几个核心组成部分： 1. 微结构（Microstructures）：这是MEMS器件最直观的“机械”部分。这些微结构由各种材料（主要是硅，但也包括聚合物、金属、陶瓷等）通过微加工技术制造而成，其尺寸通常在微米到毫米级别。它们可以设计成各种形状，如梁、膜、弹簧、齿轮、叶片、腔体等，用于实现感知、驱动、位移、振动等物理功能。例如，加速度计中的微悬臂梁会在受到外力时发生形变，微镜阵列中的微反射镜可以通过倾斜来控制光线的反射方向。 2. 传感器（Sensors）：MEMS器件的核心功能之一就是感知外界环境的变化。通过巧妙地设计微结构并与特定的物理效应相结合，MEMS传感器能够将物理量（如压力、加速度、温度、光、声音、化学物质等）转化为电信号。常用的传感原理包括： 压阻效应（Piezoresistive Effect）：某些材料（如掺杂硅）的电阻会随着其受到的应力而改变。 压电效应（Piezoelectric Effect）：某些材料（如石英、陶瓷）在受力时会产生电荷，或在施加电场时发生形变。 电容变化（Capacitive Sensing）：当微结构发生位移时，会改变电容器的极板间距或重叠面积，从而引起电容值的变化。 热效应（Thermal Effects）：例如，利用热敏电阻或热电偶等原理检测温度变化。 光学效应（Optical Effects）：利用光的反射、折射、衍射或吸收等变化来感知环境。 3. 驱动器（Actuators）：MEMS驱动器是将电能或热能等能量转化为机械运动的关键部件，使得微观结构能够产生位移、力或运动。常见的MEMS驱动器类型包括： 静电力驱动（Electrostatic Actuation）：利用电荷间的吸引力或排斥力来驱动微结构。这种驱动方式功耗低，响应速度快，是MEMS驱动器中最常用的类型之一，例如微镜阵列中的驱动。 压电驱动（Piezoelectric Actuation）：利用压电材料在电场作用下的形变来实现驱动。 热膨胀驱动（Thermal Actuation）：利用材料在加热时产生的热膨胀来驱动微结构。 磁力驱动（Magnetic Actuation）：利用磁场与磁性材料之间的相互作用来产生驱动力。 4. 电子电路（Electronic Circuits）：为了实现MEMS器件的功能，通常需要集成微型电子电路来处理传感信号、控制驱动器以及与其他系统进行通信。这些电子电路可以是模拟电路（用于信号放大、滤波）或数字电路（用于信号处理、逻辑控制），它们与微结构共同封装在同一个芯片或封装体中，实现高度集成。 5. 封装（Packaging）：MEMS器件的封装至关重要，它不仅要提供电气连接，更要保护脆弱的微结构免受外界环境（如灰尘、湿气、机械冲击）的侵害，同时又要确保能够准确地感知外界信号。MEMS封装的技术要求远高于传统的电子器件封装，需要考虑空气阻力、压力传递、密封性以及与外部环境的信号耦合等因素。 MEMS技术的应用领域 MEMS技术的广泛应用已经渗透到我们生活的方方面面，以下是一些主要的代表性领域： 消费电子：智能手机、平板电脑、智能手表等设备中大量使用MEMS传感器，如加速度计（用于屏幕方向切换、计步）、陀螺仪（用于虚拟现实、游戏）、麦克风（用于语音识别、降噪）、指纹传感器等。 汽车工业：MEMS传感器在汽车安全、性能和舒适性方面发挥着关键作用，例如： 安全气囊系统：加速度计用于检测碰撞，触发气囊弹出。 电子稳定控制（ESC）：加速度计和陀螺仪用于监测车辆姿态，提高行驶稳定性。 胎压监测系统（TPMS）：微型压力传感器监测轮胎气压。 发动机控制：各种传感器用于监测燃油压力、空气流量等，优化发动机性能。 医疗保健：MEMS技术正在深刻地改变医疗诊断和治疗方式： 微流控芯片（Lab-on-a-chip）：将实验室功能集成到微小芯片上，用于快速、低成本的疾病诊断、药物筛选和基因分析。 生物传感器：用于监测血糖、氧气、pH值等生理参数。 微型医疗器械：如微型泵、微型摄像头、微型手术器械等。 药物输送系统：用于精确控制药物的释放。 工业自动化与控制： 压力传感器、流量传感器：用于监测和控制工业生产过程中的各种参数。 微型机器人：用于执行精密操作、检测危险环境等。 惯性测量单元（IMU）：用于姿态测量和导航。 通信与光电子： 射频MEMS（RF MEMS）：用于构建高性能的射频开关、滤波器和天线，提升无线通信设备的性能。 光MEMS：如可调谐激光器、光开关、光调制器，广泛应用于光通信和显示领域。 微镜阵列：用于数字投影显示（DLP技术）。 航空航天：用于姿态控制、导航、环境监测等。 MEMS技术的未来发展趋势 MEMS技术正处于蓬勃发展的阶段，未来的发展将更加注重以下几个方向： 功能集成与智能化：未来的MEMS器件将不再是单一功能的微型机械，而是更加集成化，将多种传感器、驱动器甚至微处理器集成在一个芯片上，实现更强大的信息感知、处理和决策能力。 多材料融合与先进制造：除了传统的硅基MEMS，利用聚合物、金属、陶瓷等多种材料与硅基材料进行集成，将能够制造出性能更优越、功能更丰富的MEMS器件。同时，新的制造工艺，如3D打印、纳米制造等，也将为MEMS器件的设计和制造带来新的可能。 生物与医疗领域的深度融合：MEMS技术在生物医学领域的应用将继续深化，尤其是在体外诊断、体内监测、精准医疗和个性化治疗方面，将涌现出更多革命性的应用。 能量采集与低功耗设计：随着物联网（IoT）设备的普及，对MEMS器件的能耗提出了更高的要求。未来的MEMS器件将更加注重能量采集技术（如振动能、热能）的应用，以及实现超低功耗设计，以满足无线、自供电等应用场景的需求。 微型化与小型化：随着技术的进步，MEMS器件的尺寸将继续缩小，密度将进一步提高，为更小巧、更精密的设备设计提供可能。 标准化与通用化：随着MEMS技术的成熟，一些通用型的MEMS模块和平台将会出现，降低开发成本，加速产品上市。 结论 微机电系统（MEMS）技术以其独特的微观制造能力和高度集成化的特点，正在以前所未有的速度改变着我们的世界。它不仅是信息技术、精密制造和新材料科学的交汇点，更是驱动未来科技创新的重要引擎。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，MEMS技术必将在智能制造、健康医疗、环境保护、国家安全等诸多领域发挥更加不可替代的作用，开启一个更加智能、高效和美好的微观未来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的外观设计非常专业，散发着浓厚的学术气息。我一直对MEMS领域的前沿技术充满好奇，尤其是其在高端制造和科学研究中的应用。这本书的出版，填补了我在这方面的知识空白。它不仅仅是一本理论书籍，更像是一份百科全书，涵盖了MEMS器件的设计、制造、封装、测试等各个方面。我最感兴趣的是书中关于新型MEMS材料和智能MEMS器件的章节，这部分内容非常具有前瞻性，让我看到了MEMS技术未来的发展方向。书中引用了大量的参考文献和最新的研究成果，这为我进一步深入研究提供了宝贵的线索。我相信，通过对这本书的学习，我将能够更好地理解MEMS技术的发展趋势，并为我的相关工作提供有力的支持。

评分☆☆☆☆☆

这是一本非常有分量的技术读物，从它的厚度和字里行间透露出的严谨性就能看出来。我选择这本书，主要是因为它涵盖了MEMS技术从原理到实践的完整链条。很多时候，我们只看到MEMS器件在日常生活中的应用，比如智能手机里的加速度计、陀螺仪，或是医学影像设备中的微型传感器，却对这些精密器件是如何被制造出来的知之甚少。这本书正是弥补了这一知识鸿沟，它详细介绍了各种微加工技术，包括光刻、蚀刻、沉积等关键工艺步骤，并且用大量的图示来辅助说明，这对于我这样需要直观理解的读者来说，简直是福音。书中的案例分析也很到位，通过具体的MEMS器件设计和制造流程，让我能将抽象的理论知识与实际应用联系起来，理解不同材料、不同工艺选择对器件性能的影响。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当吸引人，简洁的蓝色背景搭配微缩的机械结构图案，一眼就能感受到它与微电子机械系统（MEMS）的专业属性。拿到手里，纸张的质感也很不错，不是那种过于光滑的反光纸，而是带着一丝哑光，手感温润，长时间翻阅也不会让眼睛感到疲劳。我一直对MEMS技术在传感器、医疗器械以及消费电子领域的广泛应用充满好奇，尤其想了解其背后的核心技术是如何实现的。这本书似乎提供了一个很好的切入点，从基础理论讲起，逐步深入到具体的加工工艺和应用实例。包装也十分用心，书角没有丝毫破损，塑封完好，这对于我这种有收藏癖的人来说，是非常重要的细节。迫不及待地想翻开它，探索那些微观世界的奥秘，期待书中能为我打开一扇新的认知之门，让我对这个日新月异的科技领域有更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名本身就充满了科技感，“微电子机械系统”这个词汇就足够让人联想到精密的仪器和尖端的科技。我是一名对新材料和微纳制造领域感兴趣的研究生，一直在寻找一本能够系统梳理MEMS基础知识的教材。这本书在这一点上做得非常出色，它不仅讲解了MEMS器件的基本工作原理，还深入剖析了不同类型MEMS器件的设计思路和实现方法。尤其是关于压电效应、热膨胀效应等在MEMS器件中的应用，书中都给出了清晰的数学模型和物理解释，这对于我进行相关的学术研究至关重要。此外，书中对于MEMS器件的封装和测试技术也有着详细的介绍，这往往是许多技术书籍容易忽略的部分，但却是MEMS器件走向实际应用不可或缺的环节。

评分☆☆☆☆☆

当我第一眼看到这本书时，就被它沉甸甸的分量所吸引，这似乎预示着它内容的深度和广度。我是一名在职的工程师，一直关注着MEMS技术在工业自动化和物联网领域的最新发展。以往阅读的资料往往碎片化，要么侧重于某一种特定的工艺，要么只介绍一些热门的应用。而这本书，则提供了一个非常系统和全面的视角。它从MEMS的基本概念出发，逐步讲解了各种微纳加工技术，例如硅微加工、聚合物微加工等，并详细阐述了这些技术在不同材料和结构上的应用。我尤其欣赏书中对MEMS器件的性能评估和可靠性分析部分的介绍，这对于我们实际的产品开发和质量控制非常有指导意义。