具体描述
内容简介
《泛结构化微机电系统集成设计方法》提出和建立了泛结构化微机电系统集成设计方法，系统性地论述了其理论体系和关键技术。本方法是在对当前微机电系统集成设计工具的体系结构、基础理论、关键技术及发展趋势等方面进行归纳和总结的基础上，提出的一种新的方法和理论，是对当前通用的微机电系统结构化设计方法的重要发展和提高。依据本方法实现了国产微机电系统集成设计工具（MEMS Garden），并结合大量典型和复杂MEMS器件实例验证了本方法和设计工具的实用性和先进性。《泛结构化微机电系统集成设计方法》可供微机电系统相关学科的科研人员参考。
作者简介
苑伟政，1961年生，教授，博士生导师，“长江学者”特聘教授。兼任中国微纳米技术学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会副理事长、中国机械工程学会微纳制造技术分会委员等，《机械工程学报》《传感技术学报》等编委。主要从事微机电系统研究，留法回国后在国内率先开展了MEMS集成设计、MEMS灵巧蒙皮、微机械准分子激光微细加工技术等前沿研究，并在微能源、微惯性器件以及微光学系统等方面形成了研究特色。获省部级科技一等奖3项、二等奖5项、三等奖5项。常洪龙，1977年生，博士副教授。主要从事微惯性技术、微机电系统集成设计方法及相关技术的研究。近年来，主持了国家自然科学基金2项、国家高技术研究计划（“863”计划）项目2项，作为课题副组长主持完成国家高技术研究计划（“863”计划）项目2项，研发了国产MEMS集成设计工具（MEMS Garden）。发表论文30余篇，申请国家发明专利27项，授权10项，获省部级一等奖2项、二等奖2项、三等奖1项。
内页插图
目录
第1章 绪论1.1 微机电系统简介
1.2 微机电系统设计工具及设计方法简介
1.3 结构化MEMS设计方法及面临的挑战
1.4 泛结构化MEMS集成设计方法的提出
1.5 小结
参考文献
第2章 泛结构化MEMS集成设计方法的理论体系
2.1 引言
2.2 集成设计体系
2.3 分层设计体系
2.4 柔性设计体系
2.5 创成设计体系
2.6 三维设计体系
2.7 小结
参考文献
第3章 分层设计体系及实现技术
3.1 引言
3.2 系统级设计
3.3 器件级设计
3.4 工艺级设计
3.5 小结
参考文献
第4章 柔性设计体系及实现技术
4.1 引言
4.2 系统级网表到工艺级二维版图的转换方法
4.3 系统级网表到器件级三维实体的转换方法
4.4 器件级三维实体到工艺级二维版图的转换方法
4.5 器件级到系统级的宏建模转换方法
4.6 工艺级二维版图到器件级三维实体的转换方法
4.7 工艺级二维版图到系统级模型的转换方法
4.8 小结
第5章 创成设计体系及实现技术
5.1 引言
5.2 系统级创成式设计
5.3 器件级创成式设计
5.4 工艺级创成式设计
5.5 小结
参考文献
第6章 宏建模方法及应用
6.1 引言
6.2 模型降阶的数学描述
6.3 线性MEMS系统宏建模方法
6.4 几何非线性MEMS系统宏建模方法
6.5 多域耦合MEMS宏建模方法
6.6 参数化模型降阶方法
6.7 宏建模方法的应用
6.8 小结
参考文献
第7章 三维设计体系及实现技术
7.1 引言
7.2 系统级的三维设计
7.3 器件级的三维设计
7.4 工艺级的三维设计
7.5 小结
参考文献
第8章 集成设计体系及实现技术
8.1 引言
8.2 集成设计工具的架构
8.3 集成设计环境的实现
8.4 小结
第9章 设计工具应用及器件设计实例
9.1 引言
9.2 平面解耦式z轴陀螺
9.3 音叉电容式微机械陀螺
9.4 平面单轴加速度计
9.5 z轴加速度计
9.6 微型压力传感器
9.7 小结
精彩书摘
微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）主要是指通过半导体工艺或其他微细加工工艺制造的微型机械。其英文缩写MEMS恰到好处地反映了其主要技术特点。MEMS一词中的第一个字母“M”，即Micro，代表这一技术是微型的。MEMS中典型结构的特征尺寸在微米量级，随着尺寸的缩小，显然会降低MEMS系统的功耗，增大其谐振频率，进而提高可靠性等。因此，可以说微型化是MEMS技术的一个最显著的特征。如此微小的结构当前仍主要通过硅基半导体工艺来进行实现，这也使得MEMS一般都具有批量化生产的优点。而目前快速发展的非硅工艺，如准分子激光、飞秒激光、电火花加工等手段也可以实现MEMS技术的微型化，并开始在MEMS领域中占据越来越重要的地位。MEMS中第二个字母“E”，即Electro，表明微机电系统是与“电”密不可分的。一方面，MEMS主要是以微型的传感器或执行器为主，那么对微弱电信号的拾取与调理必然是不可缺少的。另一方面，这个“E”也在某一程度上代表了这项技术是缘于微电子行业的。第三个字母“M”代表了结构、力学等与机械相关的东西。最后一个字母“S”代表了MEMS是一个相对完整的系统或子系统，具备一定的功能，并且该系统还往往可以在硅片上进行机械结构与控制电路的单片集成。像微电子技术一样，MEMS技术也是一项使能性技术（EnablingTechnology），加上MEMS器件本身所具有的微型化、低功耗、高集成度等优点，其已经在航空、航天、汽车、医疗器械、消费电子等诸多领域都找到了很好的结合点。目前，全世界已经有超过130种的MEMS器件[1]，其中打印机喷头、微加速度计、微陀螺、微麦克风和数字微镜均已经实现了大规模的批量生产，销售额每年超过80亿美元（见图1-1）。根据Yole公司的市场预测，仅基于硅MEMS技术的MEMS市场在2010年就将超过100亿美元。
……
前言/序言
微机电系统（MEMS）被公认为是一项战略高新技术。微机电系统除了用于航空航天等尖端行业外，也正在悄悄地改变人类的生活。从保障行车安全的胎压传感器、安全气囊系统中的加速度计，到进入人体内进行药物定点释放的微型药丸，微机电系统正在提高着人类的生活质量。设计是创新的核心。中国是一个制造大国，正在向设计大国进行转变。“工欲善其事，必先利其器”。然而，微机电系统发展至今，仍无相关的著作对其理论体系和设计方法进行系统的总结和归纳。作者对微机电系统的设计方法、理论，以及工具技术进行了长时间的研究和积累。本书就是在这些研究基础上，对微机电系统的设计方法的特点和理论体系进行了系统的归纳和总结，提出和建立了泛结构化的微机电系统集成设计方法。
微机电系统是用源自微电子工艺的微细加工工艺所制作的微型机械系统。因此.长期以来微机电系统的设计基本上都更多地借鉴了微电子的设计方法和设计工具，典型的有结构化设计方法。而微机电系统的设计本质上是一种复杂精密机械的设计，尽管对微电子制造工艺有很强的依赖性，但却不适于用微电子的设计方法来设计。因此，泛结构化微机电系统集成设计方法特别强调微机电系统的柔性设计、创成设计和三维设计。它不是对原有的微机电系统结构化设计方法的否定，而是在此基础上的发展和提高。
本书的成果是在国家高技术研究计划（“863”计划）、国家自然科学基金等多年的支持下完成的，在此向有关委员会表示感谢。实验室的许多研究生做了大量重要的研究工作，也为本书的内容提供了帮助，在此向霍鹏飞、李伟剑、徐景辉、谢建兵、张亚飞、闫子健、张承亮、秦子明、刘莹、谢志雄、郝星、焦文龙、腾云以及其他没有列出名字但付出辛勤劳动的同学们表示感谢。
最后须要特别指出的是，微机电系统涉及的领域非常广泛，笔者因学科知识面有限，在论述该方法的时候，主要采用了机电领域的例子，对于生物、流体微机电系统的论述较少。因此，所提出的泛结构化微机电系统集成设计方法在这些领域可能有所欠缺，敬请读者谅解和不吝指教。
用户评价
作为一名从事了十几年MEMS传感器的研发工程师，我一直深感于MEMS设计过程中的重复性劳动和优化难度。这本书带来的“泛结构化”理念，简直就是为我这样长期在一线工作的工程师量身定做的。我之前总是在思考如何在一个特定的传感器类型上做得更好，而这本书让我跳出了这个思维定势，开始从更普适的系统层面去思考设计。书中所强调的“结构化”不仅仅是关于物理结构的组织，更包含了逻辑结构、信息结构以及设计流程的结构。我发现，作者提出的很多设计模式和方法，能够有效地减少在重复性设计任务上花费的时间和精力。例如，书中对不同传感原理的抽象描述，以及如何通过泛化的接口实现模块化集成，对我来说意义重大。这意味着，当我设计一款新的加速度计或者陀螺仪时，我可以更加关注其核心性能的突破，而不是在大量的接口匹配和集成细节上纠结。书中的一些验证和优化方法，也给我提供了新的思路，让我能够更高效地评估和改进集成后的系统性能。这本书不仅提升了我的设计效率，更重要的是，它改变了我对MEMS系统集成的认知方式。
评分作为一名长期从事微纳制造工艺的研究者，我一直在寻找能够连接理论与实践的桥梁，尤其是在MEMS器件集成方面。这本书恰好填补了我在这方面的认知空白。它并非侧重于某一种特定的MEMS技术或器件，而是从更深层次探讨了MEMS集成的共性问题。书中所提出的“泛结构化”方法，让我意识到，很多在不同MEMS系统中看似独立的设计挑战，其实可以归结为一些普遍性的结构和逻辑问题。我尤其欣赏书中对“接口”和“互联”的关注。MEMS器件的集成往往面临着物理、电气、热学等多种接口的挑战，而这本书提供了一套系统性的方法来应对这些挑战，通过泛结构化的设计，能够提前预见并解决潜在的集成难题。书中对不同MEMS模块之间交互的分析，以及如何通过标准化接口来提高集成效率，对我来说非常有启发。这不仅仅是关于如何将多个芯片堆叠在一起，更是关于如何从整体上构建一个高效、可靠的MEMS系统。我从中学习到了如何运用更通用的设计语言来描述和优化MEMS系统的组成部分，以及如何评估和改进不同组件之间的协同工作能力。这本书无疑为MEMS系统级的设计提供了一个全新的思考维度。
评分坦白说，我对MEMS领域的研究还处于一个初学者阶段，之前学习的很多知识都显得零散和碎片化。当我拿到这本《泛结构化微机电系统集成设计方法》时，我最大的感受就是——“豁然开朗”。这本书并没有上来就给我灌输一堆晦涩难懂的专业术语，而是从一个更高的层面，构建了一个完整的MEMS设计框架。书中的“泛结构化”概念，让我理解了MEMS设计并非是孤立的器件开发，而是如何将不同的微型结构、电子元件、以及它们之间的相互作用，以一种系统化的、可复用的方式进行组织。我发现，书中通过一些图示和案例，将抽象的设计原理具象化，让我更容易理解。例如，书中对一些“通用设计模块”的介绍，让我看到了如何像搭乐高一样，将不同的功能单元组合起来，快速构建出满足特定需求的MEMS系统。这种方法论的引入，极大地降低了MEMS设计的门槛，也让我对未来的学习方向有了更清晰的规划。我不再是茫然地学习各种MEMS器件，而是开始思考它们是如何构成一个整体，如何协同工作。这本书为我开启了一扇新的大门，让我对MEMS领域有了更深层次的理解和兴趣。
评分这本书真是让我眼前一亮！我一直对微机电系统（MEMS）的设计方法颇感兴趣，尤其是在寻找更通用、更灵活的设计框架。翻开这本书，我立刻被它所倡导的“泛结构化”理念所吸引。它打破了以往MEMS设计中可能存在的、过于局限于特定领域的思维定势，提出了一种更为宏观和抽象的设计视角。我发现书中并没有仅仅停留在理论层面，而是花了大量的篇幅去阐述如何将这种泛结构化的理念落地到实际的设计流程中。从早期概念构思，到具体的器件选择和布局，再到集成和验证，书中都给出了清晰的指导。特别让我印象深刻的是，作者通过引入一些抽象的设计“模式”和“组件”，极大地简化了复杂MEMS系统的设计过程。这就像是为MEMS设计提供了一套通用的“积木”，让我们能够更加高效地搭建出满足各种需求的系统。而且，书中对这些模式和组件的组合方式和原则也进行了深入的探讨，使得读者不仅能够理解“是什么”，更能理解“为什么”以及“如何做”。这本书不仅适合 MEMS 领域的初学者，对于有经验的设计师来说，也能带来新的启发和视角，帮助我们突破现有的设计瓶颈，探索更广阔的设计可能性。
评分这本书的价值，在于它提供了一种全新的、更加抽象和通用的MEMS系统集成设计思路。作者在书中对“泛结构化”的定义和阐述，让我意识到，很多MEMS设计中的“痛点”，并非源于技术的不足，而是源于设计方法的局限性。这本书并没有侧重于介绍某一种具体的MEMS器件或加工工艺，而是从一种“元设计”的角度，去探讨如何构建更加灵活、可扩展、易于集成的MEMS系统。我尤其欣赏书中对“抽象层次”的区分和应用。通过对不同抽象层次的设计，可以有效地管理复杂性，并为不同学科背景的设计师提供一个共同的语言。书中对“设计空间”的探索，以及如何在这个空间中进行有效的搜索和优化，也给我留下了深刻的印象。这不仅仅是一本技术手册，更像是一本关于如何“思考”MEMS系统集成的“思想集”。它鼓励我们打破固有的思维模式，去寻找MEMS设计中的普适性规律。对于那些希望在MEMS集成设计领域进行创新和突破的设计师和研究人员来说，这本书无疑是一份宝贵的参考。它所倡导的泛结构化理念，将引领MEMS设计走向更高级、更智能的未来。
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