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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：29729316043

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

：26.00元

售价：17.7元,便宜8.3元,折扣68

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：0.4kg

编辑推荐

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，有一定的经验和收获。

内容提要

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

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

文摘

序言

MEMS（微电子机械系统）技术，作为集成电路技术与微机械加工技术深度融合的产物，正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面。它巧妙地将微小的机械部件与电子元件封装在同一芯片上，赋予了普通硅片“感知”和“运动”的能力，从而催生了从消费电子到尖端医疗、从航空航天到工业自动化等无数创新应用。 MEMS技术的魅力在于其“微”的尺度和“智”的集成。想象一下，一个比头发丝还要细小的传感器，能够精准地感知压力、温度、加速度，甚至生物分子；或者一个微型的执行器，可以以纳米级的精度进行定位和操控。这些曾经只存在于科幻小说中的场景，如今已成为现实。MEMS技术的发展，不仅 miniaturized 了我们熟悉的设备，更重要的是，它开辟了全新的功能领域，使得智能化、小型化、低功耗、低成本的解决方案成为可能。 MEMS技术的核心要素： MEMS技术的实现，离不开一系列关键的支撑技术和工艺流程。这些技术如同构建一座精巧建筑的砖石和工具，缺一不可。 微加工技术： 这是MEMS制造的基石。它借鉴了半导体工业成熟的平面工艺，并在此基础上发展出了一系列三维微结构的制造方法。 体硅加工 (Bulk Micromachining)： 这种技术通过化学蚀刻的方式，从硅体中移除不需要的部分，从而形成凸起或凹陷的结构。常用的蚀刻技术包括干法蚀刻（如反应离子刻蚀 RIE）和湿法蚀刻（如KOH、TMAH等）。体硅加工能够制造出相对厚重、坚固的结构，适用于制造微型梁、悬臂梁、微镜等。然而，它的缺点是材料利用率较低，且难以制造复杂的侧向结构。 表面硅加工 (Surface Micromachining)： 这种技术则是在基底上沉积一层或多层材料（牺牲层和结构层），然后通过选择性地去除牺牲层来形成微型结构。这就像建造一个微型模型，先铺设底座（牺牲层），再在上面搭建主体（结构层），最后移除底座。表面硅加工能够制造出更精细、更复杂的二维和三维结构，常用于制造微型齿轮、微型马达、微型梁等。它的优势在于材料利用率高，能够实现多层堆叠。 LIGA (Lithographie,Galvanoformung,Abformung) 工艺： 这是一种结合了X射线光刻、电铸和注塑成型的工艺。LIGA工艺能够制造出具有高深宽比（厚度远大于宽度）的金属或聚合物微结构，例如微型齿轮、微型泵、微型连接器等。这种工艺能够生产出非常坚固、精度极高的微器件，但成本相对较高，设备也较为昂贵。 硅穿孔技术 (Through-Silicon Via, TSV)： 随着MEMS器件的集成度不断提高，二维的平面结构已经无法满足需求。TSV技术通过在硅片上钻穿垂直的通孔，然后将这些通孔金属化，从而实现多层硅片的垂直互联。这极大地提高了器件的集成度和性能，是实现三维MEMS器件的关键技术。 微传感器技术： MEMS器件的核心功能往往在于其“感知”能力。微传感器种类繁多，应用广泛，它们能够将物理、化学或生物信号转化为电信号。 压力传感器： 通过监测微型膜片在压力作用下的形变，利用压阻效应或压容效应将压力转化为电信号。广泛应用于汽车安全气囊、气象监测、医疗器械等。 加速度计： 基于牛顿第二定律，通过监测微型质量块在加速度作用下的位移，利用压阻、压容或压电效应将加速度转化为电信号。用于智能手机的倾斜检测、汽车的防抱死刹车系统（ABS）、电子稳稳器（ESC）等。 陀螺仪： 利用科里奥利力效应，监测微型质量块在旋转运动下的振动变化，从而测量角速度。广泛应用于导航系统、无人机、VR/AR设备等。 惯性测量单元 (IMU)： 集成了加速度计和陀螺仪，能够同时测量线性和角速度，提供更全面的运动信息。 微流控芯片 (Microfluidic Chips)： 在微米尺度的通道内操控和分析微量流体。在生物医学诊断、药物研发、化学分析等领域有着巨大的潜力。 生物传感器： 将生物识别元件（如抗体、酶、DNA）与微型换能器集成，用于检测特定的生物分子，如血糖、病毒、细菌等。 微执行器技术： MEMS器件的另一重要功能是“运动”能力，即通过微型执行器实现精确的机械运动。 微电机： 包括微型马达、微型齿轮、微型泵等，能够实现旋转、直线运动或流体输送。 微镜： 可以用于光信号的反射和偏转，在光通信、显示技术（如DMD芯片）中有广泛应用。 微阀门和微泵： 用于精确控制微量流体的流动，在微流控系统、医疗输液泵等领域至关重要。 热驱动执行器： 利用材料的热膨胀特性，通过加热产生形变，从而驱动微型结构运动。 封装技术： MEMS器件的性能很大程度上取决于其封装。由于MEMS器件通常包含活动部件，因此其封装需要保护这些部件免受环境污染，同时又要保证其能够正常工作，并且能够与外部电路进行有效连接。 腔体封装 (Cavity Packaging)： 为MEMS器件内部的活动部件创建一个真空或惰性气体环境，以减少空气阻力，提高器件的性能和寿命。 密封技术： 采用各种材料和工艺（如键合、焊接、环氧树脂封装）来确保封装的密封性，防止灰尘、水分等进入。 引线键合和倒装芯片： 将MEMS芯片上的电极与外部电路连接。 MEMS技术的应用领域： MEMS技术的广泛应用，正在深刻地改变着我们的生活和工作方式，并在众多领域展现出巨大的价值。 消费电子： 这是MEMS技术最普及的应用领域。智能手机中的加速度计、陀螺仪、麦克风、压力传感器，让你的手机具备了感应运动、语音交互、高度测量等功能。平板电脑、智能手表、游戏控制器、无人机等也都离不开MEMS器件。 汽车电子： MEMS在汽车安全和舒适性方面扮演着至关重要的角色。安全气囊中的压力传感器、防抱死刹车系统（ABS）和电子稳定性控制系统（ESC）中的加速度计和陀螺仪，以及发动机控制中的压力和温度传感器，都在默默地保障着行车安全。此外，胎压监测系统（TPMS）也是MEMS技术的典型应用。 医疗健康： MEMS技术为医疗诊断和治疗带来了革命性的变化。微流控芯片可以用于快速、低成本的疾病诊断，例如血糖监测、病毒检测。可穿戴式健康监测设备中的微型传感器，能够实时监测心率、体温、血氧等生理指标。微型植入式设备，如心脏起搏器、药物输送泵，也正在利用MEMS技术实现更小的体积和更高的集成度。 工业自动化： 在工业领域，MEMS传感器用于监测设备的运行状态、环境参数，实现精准控制和预测性维护。例如，在机器人、精密机械、流程控制系统中，MEMS器件能够提供高精度的测量数据，提高生产效率和产品质量。 航空航天： 在航空航天领域，MEMS器件的轻便、高精度和可靠性使其成为理想选择。用于导航、姿态控制、飞行姿态测量，以及监测飞机和航天器内部的压力、温度等参数。 通信与光电子： MEMS技术在光通信领域也有着广泛的应用，例如MEMS光开关、光调制器等，用于构建更高效、更灵活的光网络。 MEMS技术的未来展望： MEMS技术的未来发展充满了无限可能。随着材料科学、纳米技术、生物技术和人工智能的不断进步，MEMS技术将迎来更加激动人心的发展阶段。 更高的集成度与多功能化： 未来MEMS器件将朝着更高的集成度发展，将更多的传感器、执行器甚至微处理器集成到同一芯片上，实现更复杂的功能。 更智能的感知与决策： 结合AI算法，MEMS器件将能够实现更高级别的环境感知和自主决策能力，例如智能识别和分类物体，或者预测和应对潜在的危险。 生物医学领域的突破： MEMS与生物技术、医学的融合将催生更多创新的诊断、治疗和监测手段，例如体内微型机器人、个性化药物输送系统等。 柔性与可穿戴设备： 柔性MEMS器件的发展将推动可穿戴设备和植入式医疗设备的进步，使其更加舒适、隐形且功能强大。 能源采集与自供电： MEMS技术还可以用于开发微型能量采集器，利用环境中的微小能量（如振动、温差）为器件供电，从而实现真正的无线和自供电。 MEMS技术，作为微观世界的“超级英雄”，正以前所未有的力量推动着科技的进步和社会的变革。它不仅是信息时代不可或缺的“眼睛”和“手”，更是未来智能社会的重要驱动力。理解和掌握MEMS技术，将为我们打开一个充满机遇的微观世界。

评分☆☆☆☆☆

语言风格方面，这本书表现出一种罕有的克制与精准。它避免了过多的华丽辞藻，每一个句子都像经过了严格的筛选，直奔主题，信息密度极高。这种行文风格非常适合需要高效获取知识的读者群体，可以最大程度地减少阅读中的“噪音”。尤其在数学推导和公式引用时，作者的处理方式非常严谨，所有变量的定义和下标的含义都会在首次出现时给出清晰的解释，这避免了读者在复杂的傅里叶变换或应力分析中迷失方向。然而，这种极致的精炼也带来了一个小小的挑战：对于完全没有相关背景的新手来说，可能需要搭配其他入门读物来“预热”一下，否则最初几章的密度会让人感觉有点“硬核”。不过，一旦跨过了最初的门槛，其高效的知识传递率会让你庆幸当初的坚持。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实践指导价值简直是无价之宝，它绝非那种只停留在理论层面空谈的学术著作。章节末尾附带的“工程挑战与案例分析”板块，简直是为工程实践者量身定做的“避坑指南”。我根据书中的一个关于硅通孔（TSV）制造的流程图进行了初步的仿真验证，书中提供的工艺窗口参数参考值，在我的模拟环境中表现出了极高的准确性和稳定性，这极大地节省了我反复试错的时间。更难得的是，它还讨论了工艺参数微小波动对最终器件性能的影响阈值，这种对“良率”和“可靠性”的关注，体现了作者深厚的产业经验，而不是纯粹的学术想象。对于即将进入实验室或工厂工作的科研人员来说，这本书更像是一本随身的工艺手册和故障排除手册的结合体。

评分☆☆☆☆☆

排版布局和图表质量是这本书另一个值得称赞的亮点，这在很多技术书籍中常常被忽视。书中对于关键结构和工艺流程的示意图，全部采用了高质量的矢量图形，线条锐利，层次分明，尤其是那些三维剖面图，简直像艺术品一样，让人一眼就能理解复杂的堆叠结构。作者对于图表的注释和编号管理做得极好，图注简洁明了，并且在正文中引用时，总是能精确地引导读者，不会出现“见图X”却找不到对应图片的尴尬情况。相较于一些老旧的教材，图片加载速度快，色彩还原度高，即使是放大观察微结构细节，也依然保持清晰。这种对视觉辅助材料的重视，极大地提升了复杂概念的可视化学习体验，让抽象的技术细节变得触手可及。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面采用了哑光处理，触感温润，中央的图案设计巧妙地将电路板的精细纹理与微观世界的抽象美感结合在一起，配色上选择了沉稳的深蓝与科技感的银灰，给人一种既专业又充满探索欲的感觉。内页纸张的选择也很用心，厚度适中，墨色清晰，长时间阅读下来眼睛不易疲劳，这对于需要反复查阅和仔细研读的理工科教材来说至关重要。尤其是章节标题的排版，采用了简洁的无衬线字体，关键术语的加粗和高亮处理得恰到好处，使得读者可以迅速定位到核心信息。不过，如果能在书脊处增加一个弹性书签带就更完美了，毕竟翻阅这种工具书时，快速回到上次阅读的位置是刚需。总的来说，作为一本技术专著，它的物理呈现质量已经达到了一个很高的水准，让人愿意捧在手里细细品味。

评分☆☆☆☆☆

内容深度上，这本书的叙述方式极具启发性，它没有将复杂的物理原理和工程实践视为冰冷的公式堆砌，而是像一位经验丰富的老工程师在娓娓道来。初学者在接触到诸如光刻、刻蚀等核心工艺时，常常会感到概念模糊，但作者似乎深谙此道，总能用一个形象的比喻或一个具体的工业应用场景来解释抽象的理论，比如在解释薄膜沉积的原子层控制时，作者将其类比为“精密的积木搭建”，一下子就让读者抓住了关键的微观控制思想。这种由浅入深、由宏观到微观的逻辑递进，使得学习曲线变得平缓。我特别欣赏其中关于材料科学特性的讨论部分，它不仅仅停留在“是什么”，更深入探讨了“为什么会这样”，这种对根源问题的追问，真正培养了读者的工程直觉和解决问题的能力，远超一般教科书的讲解深度。