用於惡劣環境的碳化矽微機電係統 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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英張，王曉浩，唐飛，王文弢 著

圖書標籤:

• 碳化矽
• 微機電係統
• MEMS
• 惡劣環境
• 傳感器
• 可靠性
• 材料科學
• 半導體
• 高溫
• 耐腐蝕

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030268624

商品編碼：29729372357

包裝：平裝

齣版時間：2010-03-01

基本信息

書名：用於惡劣環境的碳化矽微機電係統

定價：35.00元

作者：(英)張,王曉浩,唐飛,王文弢

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2010-03-01

ISBN：9787030268624

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.640kg

編輯推薦

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內容提要

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碳化矽以其優異的溫度特性、電遷移特性、機械特性等，越來越被微電子和微機電係統研究領域所關注，不斷有新的研究群體介入這一材料及其應用的研究。《用於惡劣環境的碳化矽微機電係統》是目前譯者見到的一本係統論述碳化矽微機電係統的著作，作者是來自英國、美國從事碳化矽微機電係統研究的幾位學者，他們係統綜述瞭碳化矽生長、加工、接觸、腐蝕和應用等環節的技術和現狀，匯聚瞭作者大量的經驗和智慧。
　　《用於惡劣環境的碳化矽微機電係統》可供從事微電子、微機械研究的科研人員參考閱讀，也可以作為研究生專業課程教材或參考書目。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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探索新材料，迎接新挑戰：微型機械的堅韌之翼 在當今科技飛速發展的浪潮中，我們不斷尋求突破材料性能的極限，以應對日益嚴峻和復雜的工作環境。從深海探測的萬米壓力，到極地嚴寒的刺骨低溫，抑或是工業生産中高溫高腐蝕的惡劣條件，傳統的微機電係統（MEMS）常常力不從心，成為製約技術進步的瓶頸。然而，科學的目光早已投嚮瞭一種 remarkable 的材料——碳化矽（SiC）。它以其卓越的物理和化學穩定性，正悄然開啓微型機械係統在極端環境下應用的全新篇章。 本書並非直接探討“用於惡劣環境的碳化矽微機電係統”這一具體學科，而是圍繞著“新材料驅動下微型機械係統的可能性拓展”這一宏大主題，深入剖析瞭材料科學的尖端進展如何賦能和重塑微觀世界的工程應用。我們旨在為您呈現一個更廣闊的視野，讓您瞭解，當突破性的材料特性與精巧的微機械設計理念相結閤時，將湧現齣怎樣令人振奮的可能性，以及這些可能性將如何深刻地影響我們對未知領域的探索和對現有技術的升級。 第一章：材料的邊界——探索性能的極限 本章我們將從宏觀角度審視當前為止，材料科學在推動機械係統性能提升方麵所扮演的關鍵角色。我們不會局限於某一種特定材料，而是將目光聚焦於那些能夠顯著改善器件在極端條件下的錶現的特質。例如，材料的熱穩定性至關重要，它決定瞭器件在高溫環境中能否保持結構完整和功能正常。我們將探討不同材料體係在高溫下的熱膨脹係數、相變溫度以及抗氧化能力，並分析這些參數如何直接影響微型機械結構的可靠性。 同時，化學惰性也是一個不容忽視的維度。在腐蝕性介質（如強酸、強堿、氧化劑）的存在下，許多傳統材料會迅速發生腐蝕和降解，導緻器件失效。本章將深入分析材料的耐腐蝕性，介紹評估和錶徵這一性能的關鍵指標，並列舉一些在極端化學環境下錶現優異的材料類彆，為後續章節中微機械結構的設計提供材料基礎。 此外，機械強度和韌性是微型機械係統在承受外力、振動或衝擊時的基本保障。高應力、疲勞損傷是許多惡劣環境下的常見挑戰。我們將探討材料的抗拉強度、斷裂韌性、硬度等力學性能，以及這些性能與材料微觀結構（如晶體結構、晶界、缺陷等）之間的關聯。理解這些基本屬性，是設計齣能夠承受嚴酷考驗的微型機械結構的基石。 第二章：微觀世界的宏偉藍圖——MEMS技術的演進與挑戰 在理解瞭材料潛力的基礎後，本章將聚焦於微機電係統（MEMS）這一核心技術領域。我們將追溯MEMS技術的曆史演進，從早期的矽基MEMS，到如今日益多樣化的材料體係探索。我們將詳細介紹MEMS器件的工作原理，包括微傳感、微驅動、微流控等基本功能單元的構成和工作機製。 然而，MEMS技術的廣泛應用也麵臨著嚴峻的挑戰，尤其是在環境適應性方麵。本章將重點剖析傳統MEMS器件在惡劣環境下遇到的典型失效模式。例如，矽基MEMS在高溫下容易發生氧化和形變；在強腐蝕環境下，金屬觸點和矽基體容易被腐蝕；在潮濕環境中，水分的滲透可能導緻器件短路或材料性能退化。我們將通過具體案例分析，闡述這些失效機製的根源，從而引齣對新型材料和設計方法的迫切需求。 此外，我們還將探討微觀結構的可靠性與耐久性問題。在微尺度下，錶麵效應、界麵問題、應力集中等因素的影響被放大，即使是微小的環境變化也可能導緻器件性能的顯著衰減。本章將深入分析這些微觀層麵的挑戰，為後續章節中介紹的針對性解決方案奠定理論基礎。 第三章：材料的蛻變——革新性材料為微機械注入新生 本章是本書的重點之一，我們將著眼於那些具有顛覆性潛力的新興材料，及其為微機械係統帶來的無限可能。我們將深入介紹碳化矽（SiC）的獨特優勢，闡述其作為一種高性能材料，如何在上述的惡劣環境下展現齣無與倫比的優越性。我們會詳細分析SiC的極高硬度、卓越的熱穩定性（熔點高，導熱性好）、優異的耐腐蝕性（抵抗大多數酸堿腐蝕）、良好的半導體特性（寬禁帶、高擊穿電場）等關鍵屬性。 除瞭SiC，我們還將觸及其他具有潛力的材料，如氮化鋁（AlN）（因其壓電性能和高導熱性）、氧化鋯（ZrO2）（因其高硬度和耐磨損性）、金剛石（因其極高的硬度、導熱性和化學惰性）等。我們會對比這些材料的性能特點，分析它們在特定應用場景下的優勢與劣勢，為讀者提供一個多維度的材料選擇參考。 本章將特彆強調材料的微觀結構控製。不同晶型（如多型體）、不同的晶粒尺寸、不同的摻雜工藝，都會顯著影響材料的宏觀性能。我們將介紹先進的材料製備技術，如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、分子束外延（MBE）等，以及如何通過這些技術精確控製材料的微觀結構，從而優化其在微機械係統中的應用性能。 第四章：設計的新範式——以材料特性為導嚮的微機械係統設計 材料的革新必然催生設計理念的飛躍。本章將探討如何以新材料的特性為核心，重新構思微機械係統的設計。傳統的MEMS設計往往基於矽等傳統材料的固有屬性，而采用高性能材料，則需要打破固有思維，探索全新的設計策略。 例如，針對SiC的高硬度和高溫穩定性，我們可以設計齣在極端高溫下工作的微型燃燒器、高溫傳感器、耐磨損的微型泵等。針對SiC的優異耐腐蝕性，我們可以設計齣微型化學反應器、用於腐蝕性流體測量的微傳感器等。我們將深入分析如何利用SiC的壓電效應，設計齣能夠在惡劣環境中工作的微型執行器和傳感器，以及如何利用其寬禁帶特性，開發齣能夠承受高電壓和高溫的微型電子器件。 本章還將重點介紹多層結構設計和復閤材料應用。通過將不同材料層疊或結閤，可以實現單一材料無法達到的綜閤性能。例如，將具有優異壓電特性的材料與高強度、耐磨損的材料結閤，可以設計齣既能精確驅動又能抵抗磨損的微型器件。我們將討論界麵工程的重要性，以及如何通過精密的界麵設計，保證不同材料層之間的良好結閤和有效的能量傳遞。 第五章：超越極限的實際應用——麵嚮未來的微機械係統 在前麵章節對材料和設計進行深入探討後，本章將聚焦於將這些先進的微機械係統真正應用於實際的惡劣環境。我們將展望那些因新型材料賦能而得以實現的前沿應用領域，並對其發展潛力進行深入分析。 例如，在航空航天領域，微型傳感器和執行器可以部署在發動機內部，監測溫度、壓力、應力等關鍵參數，從而提高發動機效率和安全性。在深海探測領域，耐壓、耐腐蝕的微型傳感器可以用於收集海洋環境數據，探索未知水域。在能源領域，耐高溫、耐腐蝕的微型器件可以用於監測核反應堆內部狀態，或應用於地熱發電等領域。在工業製造領域，高可靠性的微型傳感器可以用於監測高危生産環境，預測設備故障，提高生産效率和安全性。 此外，我們還將探討生物醫學領域的潛在應用。盡管生物體內環境相對溫和，但某些特殊應用場景，如植入式醫療器械在體內的長期工作，或者在特定病變部位的精準乾預，也需要材料具備極高的生物相容性和穩定性。 本書的每一章都旨在為您提供一個清晰的脈絡，從理解材料的基本性能，到掌握微機械係統的設計原理，再到展望其在各個尖端領域的應用前景。我們相信，通過對新材料及其驅動的微機械係統潛力的深入探索，您將能更好地理解科技發展的未來方嚮，並為迎接更加嚴峻的挑戰做好準備。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我初次拿起這本書時，對“微機電係統”和“碳化矽”的結閤感到有些望而生畏，擔心裏麵充斥著晦澀難懂的數學公式和物理定律。然而，這本書的敘事方式卻齣乎意料地流暢且富有啓發性。它並沒有簡單地羅列公式，而是巧妙地將復雜的電磁學、熱力學與MEMS器件的動態響應聯係起來。我尤其欣賞作者在闡述壓阻效應和壓電效應在SiC材料中實現傳感功能時的那種循序漸進的講解。它沒有直接給齣最終模型，而是從晶格結構的變化如何影響載流子遷移率開始講起，再到如何設計齣具有高靈敏度和低遲滯性的結構。這種由微觀到宏觀的解構方式，極大地幫助我理解瞭那些看似玄妙的性能指標背後的物理本質。對於初學者來說，這可能需要一定的耐心，但對於想要深入理解SiC MEMS器件可靠性和長期穩定性的研發人員來說，這種詳盡的底層邏輯梳理是無可替代的。讀完後，我對過去處理那些“溫度補償”問題時采取的經驗主義方法深感汗顔，這本書提供瞭一套更具科學基礎的解決框架。

評分☆☆☆☆☆

這本《用於惡劣環境的碳化矽微機電係統》簡直是為我這種常年和高溫、高壓、高頻振動打交道的工程師量身定做的寶典！我印象最深的是它對SiC材料的本徵特性進行瞭極其深入的剖析，簡直是從原子層麵給你捋瞭一遍，讓你徹底明白為什麼它能在極端條件下錶現得如此“硬核”。書中詳細對比瞭傳統矽基MEMS在熱膨脹係數、擊穿場強以及化學惰性上的短闆，然後無縫對接到瞭碳化矽的優勢領域。尤其值得稱贊的是，作者沒有停留在理論層麵，而是提供瞭大量實際的工藝流程圖和失效分析案例。我記得有一章專門講瞭深反應離子刻蝕（DRIE）在製作高深寬比SiC結構時的工藝窗口優化，那些參數的敏感性和控製難點，讀起來簡直讓人感同身受，仿佛自己就在潔淨室裏操作顯微鏡。對於我正在開發的航空發動機狀態監測傳感器來說，這本書提供的思路——如何通過結構設計來耦閤材料優勢、有效規避機械共振峰和熱應力導緻的漂移——是具有極高的指導價值的。這本書的深度和廣度，遠超齣瞭市麵上那些隻停留在應用層麵的教材，更像是一部結閤瞭材料科學、半導體物理和精密機械工程的“武功秘籍”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的實踐指導意義，體現在它對異質集成的深刻洞察上。碳化矽本身性能優越，但在驅動電路和信號處理方麵，我們仍然離不開傳統的CMOS技術，如何讓SiC MEMS的苛刻工作條件與矽基ASIC的脆弱性共存，一直是工程上的老大難。書中專門介紹瞭幾種高低溫接口電路設計的策略，特彆是關於如何利用SiC的寬禁帶來實現高電壓驅動和低噪聲信號采集的隔離方案。我特彆關注瞭其中關於電荷泵和鎖相環（PLL）在強電磁乾擾環境下保持穩定性的章節，作者利用SiC的低寄生電容特性，提齣瞭幾套獨特的電路拓撲結構來提高抗乾擾能力。這套思路為我們解決下一代高精度慣性導航係統中的“零點漂移”問題提供瞭全新的硬件架構思路，而不是僅僅停留在軟件濾波上。這本書與其說是一本教科書，不如說是一部深入前沿的工程實踐報告集，其內容的“新”和“深”，讓人讀完後立刻有衝動想去實驗室驗證書中的每一個提議。

評分☆☆☆☆☆

對於我們這種需要進行跨學科閤作的項目組來說，這本書的價值在於它提供瞭一套通用且嚴謹的語言體係。我的團隊裏有材料科學傢、電子工程師和結構設計師，過去我們常常因為對“可靠性”的定義不同而産生分歧。這本書在論述SiC的疲勞壽命預測模型時，清晰地區分瞭熱機械疲勞、電遷移和輻射損傷，並為每一種損傷機製提供瞭相應的威布爾分布或科爾莫戈洛夫-史米爾諾夫檢驗的應用示例。這不僅統一瞭我們的術語，更重要的是，它提供瞭一種量化評估不同設計選擇風險的共同框架。例如，當討論到封裝技術時，書中花瞭相當篇幅對比瞭共晶鍵閤和活性釺焊在應對SiC高工作溫度下的密封完整性問題上的優劣。這種跨越材料、器件和封裝的整體視角，避免瞭將任何一個環節視為孤島進行優化而導緻的係統性失敗。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖錶質量簡直是工業級水準，這對於一本技術專著來說至關重要。我拿到的精裝版本，紙張的質感很好，即便是打印在圖錶上那些密集的仿真結果麯綫和有限元分析（FEA）網格劃分圖，細節也清晰可辨，這在查閱關鍵數據時避免瞭很大的麻煩。有一部分內容專門討論瞭SiC基陀螺儀在高G環境下的抗衝擊設計。書中提供瞭一係列不同懸臂梁結構（如梁式、環形、雙質量塊）在瞬態載荷下的應力集中點分析圖，這些圖示直觀地展示瞭如何通過優化支撐點的幾何形狀來分散衝擊能量，避免應力梯度過大導緻的結構疲勞。更讓我驚喜的是，書中穿插瞭幾頁對當前前沿光刻技術在SiC晶圓上實現高精度圖案轉移的討論，包括激光直寫和離子束輔助刻蝕等，這錶明作者的視野緊跟行業最新進展，而不是僅僅停留在成熟工藝的介紹上。這種對“製造可行性”的同步考量，讓理論設計更具落地性。