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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： 广影图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29729372357

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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探索新材料，迎接新挑战：微型机械的坚韧之翼 在当今科技飞速发展的浪潮中，我们不断寻求突破材料性能的极限，以应对日益严峻和复杂的工作环境。从深海探测的万米压力，到极地严寒的刺骨低温，抑或是工业生产中高温高腐蚀的恶劣条件，传统的微机电系统（MEMS）常常力不从心，成为制约技术进步的瓶颈。然而，科学的目光早已投向了一种 remarkable 的材料——碳化硅（SiC）。它以其卓越的物理和化学稳定性，正悄然开启微型机械系统在极端环境下应用的全新篇章。 本书并非直接探讨“用于恶劣环境的碳化硅微机电系统”这一具体学科，而是围绕着“新材料驱动下微型机械系统的可能性拓展”这一宏大主题，深入剖析了材料科学的尖端进展如何赋能和重塑微观世界的工程应用。我们旨在为您呈现一个更广阔的视野，让您了解，当突破性的材料特性与精巧的微机械设计理念相结合时，将涌现出怎样令人振奋的可能性，以及这些可能性将如何深刻地影响我们对未知领域的探索和对现有技术的升级。 第一章：材料的边界——探索性能的极限 本章我们将从宏观角度审视当前为止，材料科学在推动机械系统性能提升方面所扮演的关键角色。我们不会局限于某一种特定材料，而是将目光聚焦于那些能够显著改善器件在极端条件下的表现的特质。例如，材料的热稳定性至关重要，它决定了器件在高温环境中能否保持结构完整和功能正常。我们将探讨不同材料体系在高温下的热膨胀系数、相变温度以及抗氧化能力，并分析这些参数如何直接影响微型机械结构的可靠性。 同时，化学惰性也是一个不容忽视的维度。在腐蚀性介质（如强酸、强碱、氧化剂）的存在下，许多传统材料会迅速发生腐蚀和降解，导致器件失效。本章将深入分析材料的耐腐蚀性，介绍评估和表征这一性能的关键指标，并列举一些在极端化学环境下表现优异的材料类别，为后续章节中微机械结构的设计提供材料基础。 此外，机械强度和韧性是微型机械系统在承受外力、振动或冲击时的基本保障。高应力、疲劳损伤是许多恶劣环境下的常见挑战。我们将探讨材料的抗拉强度、断裂韧性、硬度等力学性能，以及这些性能与材料微观结构（如晶体结构、晶界、缺陷等）之间的关联。理解这些基本属性，是设计出能够承受严酷考验的微型机械结构的基石。 第二章：微观世界的宏伟蓝图——MEMS技术的演进与挑战 在理解了材料潜力的基础后，本章将聚焦于微机电系统（MEMS）这一核心技术领域。我们将追溯MEMS技术的历史演进，从早期的硅基MEMS，到如今日益多样化的材料体系探索。我们将详细介绍MEMS器件的工作原理，包括微传感、微驱动、微流控等基本功能单元的构成和工作机制。 然而，MEMS技术的广泛应用也面临着严峻的挑战，尤其是在环境适应性方面。本章将重点剖析传统MEMS器件在恶劣环境下遇到的典型失效模式。例如，硅基MEMS在高温下容易发生氧化和形变；在强腐蚀环境下，金属触点和硅基体容易被腐蚀；在潮湿环境中，水分的渗透可能导致器件短路或材料性能退化。我们将通过具体案例分析，阐述这些失效机制的根源，从而引出对新型材料和设计方法的迫切需求。 此外，我们还将探讨微观结构的可靠性与耐久性问题。在微尺度下，表面效应、界面问题、应力集中等因素的影响被放大，即使是微小的环境变化也可能导致器件性能的显著衰减。本章将深入分析这些微观层面的挑战，为后续章节中介绍的针对性解决方案奠定理论基础。 第三章：材料的蜕变——革新性材料为微机械注入新生 本章是本书的重点之一，我们将着眼于那些具有颠覆性潜力的新兴材料，及其为微机械系统带来的无限可能。我们将深入介绍碳化硅（SiC）的独特优势，阐述其作为一种高性能材料，如何在上述的恶劣环境下展现出无与伦比的优越性。我们会详细分析SiC的极高硬度、卓越的热稳定性（熔点高，导热性好）、优异的耐腐蚀性（抵抗大多数酸碱腐蚀）、良好的半导体特性（宽禁带、高击穿电场）等关键属性。 除了SiC，我们还将触及其他具有潜力的材料，如氮化铝（AlN）（因其压电性能和高导热性）、氧化锆（ZrO2）（因其高硬度和耐磨损性）、金刚石（因其极高的硬度、导热性和化学惰性）等。我们会对比这些材料的性能特点，分析它们在特定应用场景下的优势与劣势，为读者提供一个多维度的材料选择参考。 本章将特别强调材料的微观结构控制。不同晶型（如多型体）、不同的晶粒尺寸、不同的掺杂工艺，都会显著影响材料的宏观性能。我们将介绍先进的材料制备技术，如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、分子束外延（MBE）等，以及如何通过这些技术精确控制材料的微观结构，从而优化其在微机械系统中的应用性能。 第四章：设计的新范式——以材料特性为导向的微机械系统设计 材料的革新必然催生设计理念的飞跃。本章将探讨如何以新材料的特性为核心，重新构思微机械系统的设计。传统的MEMS设计往往基于硅等传统材料的固有属性，而采用高性能材料，则需要打破固有思维，探索全新的设计策略。 例如，针对SiC的高硬度和高温稳定性，我们可以设计出在极端高温下工作的微型燃烧器、高温传感器、耐磨损的微型泵等。针对SiC的优异耐腐蚀性，我们可以设计出微型化学反应器、用于腐蚀性流体测量的微传感器等。我们将深入分析如何利用SiC的压电效应，设计出能够在恶劣环境中工作的微型执行器和传感器，以及如何利用其宽禁带特性，开发出能够承受高电压和高温的微型电子器件。 本章还将重点介绍多层结构设计和复合材料应用。通过将不同材料层叠或结合，可以实现单一材料无法达到的综合性能。例如，将具有优异压电特性的材料与高强度、耐磨损的材料结合，可以设计出既能精确驱动又能抵抗磨损的微型器件。我们将讨论界面工程的重要性，以及如何通过精密的界面设计，保证不同材料层之间的良好结合和有效的能量传递。 第五章：超越极限的实际应用——面向未来的微机械系统 在前面章节对材料和设计进行深入探讨后，本章将聚焦于将这些先进的微机械系统真正应用于实际的恶劣环境。我们将展望那些因新型材料赋能而得以实现的前沿应用领域，并对其发展潜力进行深入分析。 例如，在航空航天领域，微型传感器和执行器可以部署在发动机内部，监测温度、压力、应力等关键参数，从而提高发动机效率和安全性。在深海探测领域，耐压、耐腐蚀的微型传感器可以用于收集海洋环境数据，探索未知水域。在能源领域，耐高温、耐腐蚀的微型器件可以用于监测核反应堆内部状态，或应用于地热发电等领域。在工业制造领域，高可靠性的微型传感器可以用于监测高危生产环境，预测设备故障，提高生产效率和安全性。 此外，我们还将探讨生物医学领域的潜在应用。尽管生物体内环境相对温和，但某些特殊应用场景，如植入式医疗器械在体内的长期工作，或者在特定病变部位的精准干预，也需要材料具备极高的生物相容性和稳定性。 本书的每一章都旨在为您提供一个清晰的脉络，从理解材料的基本性能，到掌握微机械系统的设计原理，再到展望其在各个尖端领域的应用前景。我们相信，通过对新材料及其驱动的微机械系统潜力的深入探索，您将能更好地理解科技发展的未来方向，并为迎接更加严峻的挑战做好准备。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实践指导意义，体现在它对异质集成的深刻洞察上。碳化硅本身性能优越，但在驱动电路和信号处理方面，我们仍然离不开传统的CMOS技术，如何让SiC MEMS的苛刻工作条件与硅基ASIC的脆弱性共存，一直是工程上的老大难。书中专门介绍了几种高低温接口电路设计的策略，特别是关于如何利用SiC的宽禁带来实现高电压驱动和低噪声信号采集的隔离方案。我特别关注了其中关于电荷泵和锁相环（PLL）在强电磁干扰环境下保持稳定性的章节，作者利用SiC的低寄生电容特性，提出了几套独特的电路拓扑结构来提高抗干扰能力。这套思路为我们解决下一代高精度惯性导航系统中的“零点漂移”问题提供了全新的硬件架构思路，而不是仅仅停留在软件滤波上。这本书与其说是一本教科书，不如说是一部深入前沿的工程实践报告集，其内容的“新”和“深”，让人读完后立刻有冲动想去实验室验证书中的每一个提议。

评分☆☆☆☆☆

这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》简直是为我这种常年和高温、高压、高频振动打交道的工程师量身定做的宝典！我印象最深的是它对SiC材料的本征特性进行了极其深入的剖析，简直是从原子层面给你捋了一遍，让你彻底明白为什么它能在极端条件下表现得如此“硬核”。书中详细对比了传统硅基MEMS在热膨胀系数、击穿场强以及化学惰性上的短板，然后无缝对接到了碳化硅的优势领域。尤其值得称赞的是，作者没有停留在理论层面，而是提供了大量实际的工艺流程图和失效分析案例。我记得有一章专门讲了深反应离子刻蚀（DRIE）在制作高深宽比SiC结构时的工艺窗口优化，那些参数的敏感性和控制难点，读起来简直让人感同身受，仿佛自己就在洁净室里操作显微镜。对于我正在开发的航空发动机状态监测传感器来说，这本书提供的思路——如何通过结构设计来耦合材料优势、有效规避机械共振峰和热应力导致的漂移——是具有极高的指导价值的。这本书的深度和广度，远超出了市面上那些只停留在应用层面的教材，更像是一部结合了材料科学、半导体物理和精密机械工程的“武功秘籍”。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我初次拿起这本书时，对“微机电系统”和“碳化硅”的结合感到有些望而生畏，担心里面充斥着晦涩难懂的数学公式和物理定律。然而，这本书的叙事方式却出乎意料地流畅且富有启发性。它并没有简单地罗列公式，而是巧妙地将复杂的电磁学、热力学与MEMS器件的动态响应联系起来。我尤其欣赏作者在阐述压阻效应和压电效应在SiC材料中实现传感功能时的那种循序渐进的讲解。它没有直接给出最终模型，而是从晶格结构的变化如何影响载流子迁移率开始讲起，再到如何设计出具有高灵敏度和低迟滞性的结构。这种由微观到宏观的解构方式，极大地帮助我理解了那些看似玄妙的性能指标背后的物理本质。对于初学者来说，这可能需要一定的耐心，但对于想要深入理解SiC MEMS器件可靠性和长期稳定性的研发人员来说，这种详尽的底层逻辑梳理是无可替代的。读完后，我对过去处理那些“温度补偿”问题时采取的经验主义方法深感汗颜，这本书提供了一套更具科学基础的解决框架。

评分☆☆☆☆☆

对于我们这种需要进行跨学科合作的项目组来说，这本书的价值在于它提供了一套通用且严谨的语言体系。我的团队里有材料科学家、电子工程师和结构设计师，过去我们常常因为对“可靠性”的定义不同而产生分歧。这本书在论述SiC的疲劳寿命预测模型时，清晰地区分了热机械疲劳、电迁移和辐射损伤，并为每一种损伤机制提供了相应的威布尔分布或科尔莫戈洛夫-史米尔诺夫检验的应用示例。这不仅统一了我们的术语，更重要的是，它提供了一种量化评估不同设计选择风险的共同框架。例如，当讨论到封装技术时，书中花了相当篇幅对比了共晶键合和活性钎焊在应对SiC高工作温度下的密封完整性问题上的优劣。这种跨越材料、器件和封装的整体视角，避免了将任何一个环节视为孤岛进行优化而导致的系统性失败。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表质量简直是工业级水准，这对于一本技术专著来说至关重要。我拿到的精装版本，纸张的质感很好，即便是打印在图表上那些密集的仿真结果曲线和有限元分析（FEA）网格划分图，细节也清晰可辨，这在查阅关键数据时避免了很大的麻烦。有一部分内容专门讨论了SiC基陀螺仪在高G环境下的抗冲击设计。书中提供了一系列不同悬臂梁结构（如梁式、环形、双质量块）在瞬态载荷下的应力集中点分析图，这些图示直观地展示了如何通过优化支撑点的几何形状来分散冲击能量，避免应力梯度过大导致的结构疲劳。更让我惊喜的是，书中穿插了几页对当前前沿光刻技术在SiC晶圆上实现高精度图案转移的讨论，包括激光直写和离子束辅助刻蚀等，这表明作者的视野紧跟行业最新进展，而不是仅仅停留在成熟工艺的介绍上。这种对“制造可行性”的同步考量，让理论设计更具落地性。