用於惡劣環境的碳化矽微機電係統 (英)張,王曉浩,唐飛,王文弢 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
• 材料科學
• 電子工程
• 可靠性
• 高溫
• 耐腐蝕

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030268624

商品編碼：29328961614

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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《高性能壓電器件設計與製造》 內容簡介 本書深入探討瞭高性能壓電器件的設計、製造、錶徵及其在高端應用中的集成。壓電器件作為一種能夠實現機電能量轉換的關鍵組件，在傳感器、驅動器、能量收集器、微泵、聲學器件等眾多領域扮演著至關重要的角色。本書旨在為從事壓電器件研究、開發與應用的研究人員、工程師以及相關專業學生提供一份全麵而深入的指導。 第一部分：壓電器件基礎理論與材料 壓電效應綜述： 本章首先從宏觀和微觀層麵詳細闡述瞭壓電效應的物理機理，包括正壓電效應（施加機械應力産生電荷）和逆壓電效應（施加電場産生機械形變）。深入分析瞭晶體結構、對稱性與壓電性的內在聯係，並介紹瞭描述壓電行為的關鍵參數，如壓電應變常數、壓電電壓常數、介電常數和機電耦閤係數等。通過翔實的理論推導和模型分析，幫助讀者建立對壓電現象的深刻理解。 壓電材料的分類與特性： 詳細介紹瞭當前主流壓電材料的種類，包括但不限於： 無鉛壓電陶瓷： 重點關注瞭鈦酸鉍（BiFeO3）基、鈦酸鋇（BaTiO3）基等無鉛壓電陶瓷的組成、微觀結構、相變行為及其對壓電性能的影響。分析瞭其在環保法規日益嚴格的背景下的應用前景和麵臨的挑戰。 鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷： 深入探討瞭PZT陶瓷的成分設計（如PZT-5A, PZT-5H, PZT-4等），及其與弛豫相變、疇結構、晶界效應等因素之間的復雜關係。詳細闡述瞭如何通過組分調整、燒結工藝優化來獲得優異的壓電、鐵電和介電性能。 聚閤物壓電材料： 重點介紹瞭聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物的壓電性能，分析瞭其柔韌性、低聲阻抗等優點，以及在柔性電子、生物傳感器等領域的應用潛力。 單晶壓電材料： 討論瞭如單晶石英（SiO2）、鈮酸鋰（LiNbO3）等單晶壓電材料的獨特優勢，包括高穩定性、低損耗以及在精密頻率控製和光電調製方麵的應用。 復閤壓電材料： 探討瞭將壓電陶瓷顆粒與聚閤物基體復閤形成的壓電復閤材料，分析瞭不同結構（如1-3型、2-2型）的設計如何優化宏觀性能，以滿足特定應用需求。 新型壓電材料： 簡要介紹瞭近年來湧現齣的新型壓電材料，如高熵壓電材料、二維壓電材料等，展望瞭其未來發展方嚮。 壓電材料的微觀機製與性能調控： 深入剖析瞭壓電材料內部的微觀結構（如晶格畸變、疇壁運動、點缺陷、晶界等）對宏觀壓電性能的影響機理。詳細介紹瞭多種調控壓電材料性能的策略，包括： 化學組分設計： 通過引入摻雜劑、形成固溶體等方式，調控材料的相變溫度、鐵電疇結構和晶格應力，從而優化壓電常數、居裏溫度和介電損耗。 微觀結構控製： 探討瞭晶粒尺寸效應、晶界結構、孔隙率等對壓電性能的影響，以及通過控製燒結氣氛、升溫速率、冷卻速率等工藝參數來獲得理想的微觀結構。 外場調控： 分析瞭溫度、應力、電場等外場對壓電材料性能的影響，以及如何利用這些效應實現性能的動態調控。 第二部分：高性能壓電器件的設計與仿真 壓電器件的等效電路模型： 詳細介紹瞭多種經典的壓電器件等效電路模型，包括Butterworth-van Dyke（BVD）模型及其改進模型，分析瞭模型中各元器件（如電感、電阻、電容）的物理意義，以及它們與壓電材料參數、器件結構和工作頻率的關係。重點闡述瞭如何利用這些模型進行器件的阻抗匹配設計和性能預測。 壓電器件的仿真方法與工具： 深入講解瞭基於有限元分析（FEA）的壓電器件仿真技術。詳細介紹瞭如何建立器件的三維幾何模型，定義材料屬性（包括壓電、介電、彈性等），設置邊界條件和激勵源。重點分析瞭電-力耦閤的仿真過程，以及如何通過仿真來預測器件的固有頻率、振動模式、應力分布、電荷響應以及能量轉換效率。列舉瞭常用的仿真軟件（如COMSOL Multiphysics, ANSYS等）在壓電器件設計中的應用案例。 壓電器件的設計考慮因素： 詳細闡述瞭在壓電器件設計過程中需要考慮的關鍵因素： 幾何形狀與尺寸優化： 分析瞭不同器件形狀（如塊狀、薄膜、梁、圓盤等）的特點及其對諧振頻率、耦閤係數和能量輸齣的影響。探討瞭通過優化幾何參數來提高器件性能的方法。 電極設計： 討論瞭電極材料的選擇（如貴金屬、鎳、銅等）、形狀、厚度以及與壓電材料的界麵特性對電荷收集和電場分布的影響。 機械耦閤與阻抗匹配： 強調瞭器件與外部機械係統之間的耦閤設計的重要性，以及如何通過阻抗匹配來最大化能量傳輸效率，尤其是在能量收集和聲學應用中。 工作頻率與帶寬： 分析瞭器件的固有諧振頻率、反諧振頻率以及工作帶寬對應用性能的影響，以及如何通過結構設計和材料選擇來滿足特定頻率要求。 可靠性與壽命： 討論瞭長期工作下的應力疲勞、介電擊穿、電化學腐蝕等可靠性問題，以及在設計階段如何通過材料選擇、結構加強和工藝控製來提高器件的壽命。 第三部分：高性能壓電器件的製造工藝 壓電陶瓷器件製造： 詳細介紹瞭高性能壓電陶瓷器件的經典製造流程： 粉體製備： 涵蓋瞭固相法、溶膠-凝膠法、共沉澱法等多種粉體製備技術，重點分析瞭不同方法對粉體粒度、形貌、純度和均勻性的影響。 成型技術： 詳細介紹瞭帶式過濾、乾壓、注漿、流延、等靜壓等成型工藝，以及它們在製備不同形狀和尺寸的陶瓷坯體中的應用。 燒結工藝： 深入探討瞭燒結溫度、氣氛、升溫速率、保溫時間等關鍵參數對陶瓷緻密化、晶粒生長、相結構以及最終壓電性能的影響。重點分析瞭高溫固相反應、燒結助劑的作用。 電極製備： 介紹瞭絲網印刷、濺射、電鍍等電極製備方法，以及電極與陶瓷基體的結閤強度、電導率和高溫穩定性。 後處理： 包括研磨、拋光、熱處理等，旨在改善器件的錶麵光潔度、尺寸精度和電性能。 薄膜壓電材料與器件製造： 重點介紹瞭製備高性能壓電薄膜的關鍵技術： 物理氣相沉積（PVD）： 詳細闡述瞭濺射（Sputtering）、蒸發（Evaporation）等PVD技術在製備高質量壓電薄膜中的應用，包括靶材選擇、工藝參數（如氣體壓力、功率、基底溫度）的優化。 化學氣相沉積（CVD）： 介紹瞭CVD技術，特彆是金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在製備高緻密、晶嚮取嚮好的壓電薄膜中的優勢。 溶液前驅體化學法： 重點介紹瞭溶膠-凝膠法（Sol-Gel）、水熱法（Hydrothermal）、微波輔助閤成等溶液法製備壓電薄膜的技術，強調其成本低、易於大麵積製備等優點。 薄膜器件加工： 討論瞭薄膜的圖案化（如光刻、乾法/濕法刻蝕）、電極連接、封裝等工藝流程，以及如何實現高密度、微型化的壓電器件製造。 聚閤物壓電材料的加工與器件製作： 介紹瞭PVDF等聚閤物壓電材料的加工方法，包括擠齣、塗布、壓延等。重點分析瞭極化處理（如高壓直流極化、電暈極化）對聚閤物壓電性能提升的關鍵作用，以及如何在此基礎上製作柔性傳感器、驅動器等器件。 復閤壓電器件的集成工藝： 探討瞭如何將不同材料（如壓電陶瓷、聚閤物、金屬電極、襯底等）進行有效地集成，以構建具有特定功能的復閤壓電器件，包括黏接、封裝、互連等工藝技術。 第四部分：壓電器件的錶徵與測試 靜態性能錶徵： 壓電常數測量： 詳細介紹瞭準靜態法（如施加直流電壓測量形變）和動態法（如施加交流信號測量電荷）等測量壓電應變常數（d33, d31等）和壓電電壓常數（g33, g31等）的實驗方法和裝置。 介電性能測試： 介紹瞭測量介電常數（εr）、損耗角正切（tanδ）以及居裏溫度（Tc）的實驗技術，包括LCR測試儀的使用。 鐵電性能測試： 描述瞭測量剩餘極化強度（Pr）、矯頑場（Ec）等鐵電參數的方法，如P-E滯迴麯綫測量。 動態性能錶徵： 諧振頻率與阻抗譜分析： 重點介紹瞭阻抗譜分析儀（Impedance Analyzer）在測量器件的諧振頻率（fr）、反諧振頻率（fa）、機電耦閤係數（k）、品質因數（Qm）等動態參數中的關鍵作用。 振動模態分析： 介紹瞭激光多普勒測振儀（LDV）、原子力顯微鏡（AFM）等技術在可視化器件振動模式和幅值分布中的應用。 能量收集效率測試： 描述瞭如何搭建實驗平颱，模擬外部機械激勵，測量壓電器件將機械能轉化為電能的效率，包括輸齣電壓、電流、功率和轉換效率的測量。 可靠性與耐久性測試： 高低溫循環試驗： 探討瞭器件在不同溫度環境下長期工作的性能變化。 濕度與腐蝕試驗： 分析瞭環境濕度和腐蝕性介質對器件材料和電極的影響。 機械應力疲勞測試： 模擬實際應用中的機械循環加載，評估器件的疲勞壽命。 電應力老化試驗： 評估器件在長期電場作用下的穩定性。 第五部分：高性能壓電器件的應用 微傳感器： 加速度計與振動傳感器： 介紹瞭壓電加速度計的工作原理，以及其在工業監測、汽車安全、消費電子等領域的應用。 力與壓力傳感器： 闡述瞭壓電傳感器如何將機械力或壓力轉化為電信號，廣泛應用於稱重、觸控、醫療監測等。 生物傳感器： 討論瞭壓電材料在檢測生物分子、細胞活動等方麵的應用，以及其高靈敏度和生物相容性優勢。 聲學傳感器： 包括麥剋風、水聽器等，利用壓電效應將聲波轉化為電信號。 微驅動器與執行器： 精密定位與微位移平颱： 介紹瞭壓電驅動器在納米精度定位、光學掃描、流體控製等領域的高精度驅動能力。 微泵與微閥： 闡述瞭壓電驅動的微泵如何實現液體或氣體的精確輸送，在微流控、醫療器械等領域應用廣泛。 聲學換能器： 包括超聲換能器（用於成像、治療、測距）、揚聲器等，利用逆壓電效應將電信號轉化為聲學振動。 能量收集器： 環境能量收集： 重點介紹瞭利用壓電材料從振動、衝擊、聲波等環境中收集電能的技術，為低功耗傳感器節點、物聯網設備等提供持續能源。 能量收集器件的設計與優化： 討論瞭如何根據不同的能量源設計壓電能量收集器的結構、材料和電路。 其他新興應用： 壓電式點火裝置： 簡述其工作原理和應用。 壓電式發電機： 在特定場閤下的應用。 集成器件與係統： 討論瞭將壓電器件與微電子、微光學等技術集成，構建復雜功能係統。 結論與展望 本書最後對高性能壓電器件的研究現狀進行瞭總結，並對未來的發展方嚮進行瞭展望，包括新材料的開發（如二維壓電材料、柔性壓電材料）、先進製造技術的探索（如3D打印、納米壓印）、智能化與集成化設計以及在新能源、生物醫學、智能製造等前沿領域的進一步拓展。 本書特色： 理論與實踐相結閤： 既深入闡述瞭壓電器件的基礎理論，又詳細介紹瞭實際的設計、製造和測試方法。 材料體係全麵： 涵蓋瞭陶瓷、聚閤物、單晶、復閤等主流壓電材料。 工藝方法詳實： 提供瞭從粉體製備到薄膜沉積、器件加工的全流程工藝介紹。 應用領域廣泛： 結閤瞭傳感器、驅動器、能量收集器等多個重要應用方嚮。 圖文並茂： 配備瞭大量的示意圖、照片和實驗數據，便於讀者理解。 本書的齣版，旨在為推動壓電器件科學與技術的發展提供一份重要的參考，並激勵更多的研究者和工程師投身於這一充滿活力的領域。

評分☆☆☆☆☆

這本書，我是在一個學術會議上聽瞭其中一位作者（記不清是張還是王瞭，名字有點像，但印象深刻的是他們的研究方嚮）的報告後，慕名而來的。當時他們展示瞭一些MEMS器件在極端溫度下的工作性能，給我留下瞭深刻的印象。我是一名材料工程師，主要負責新材料在航空航天領域的應用。在實際工作中，我們經常麵臨傳感器和執行器在高強度輻射、超高溫或超低溫等惡劣環境下的可靠性問題。矽基MEMS器件雖然應用廣泛，但在這些極端條件下往往性能衰減嚴重，甚至失效。因此，我一直非常關注能夠應對這些挑戰的新型材料和技術。這本書的標題“用於惡劣環境的碳化矽微機電係統”恰好擊中瞭我內心最迫切的需求。我期待書中能深入探討碳化矽材料本身的優勢，比如其優異的熱學、力學和電學性能，以及這些特性如何轉化為MEMS器件在嚴苛環境下的高性能錶現。尤其感興趣的是，書中是否會詳細介紹碳化矽MEMS器件在製備工藝上的獨特之處，例如高溫外延、刻蝕技術等，以及如何通過結構設計來進一步提升器件的抗應力、抗腐蝕能力。如果書中能提供實際的應用案例分析，比如在深空探測、核能領域或高溫工業過程中的應用，那將是對我工作極大的啓發。總而言之，我希望這本書能為我提供堅實的理論基礎和實用的技術指導，幫助我在工作中更好地理解和應用碳化矽MEMS技術，攻剋材料應用的難關。

評分☆☆☆☆☆

我是一位對新興技術充滿好奇心的電子愛好者，同時也是一名非專業的技術博主。我一直在關注微電子領域的最新進展，尤其是那些能夠突破現有技術瓶頸的創新。碳化矽（SiC）在功率器件領域的應用早已如雷貫耳，其優異的高溫和高壓特性讓我印象深刻。而MEMS技術則在傳感器和微型執行器方麵扮演著越來越重要的角色。當我看到《用於惡劣環境的碳化矽微機電係統》這本書的介紹時，我立刻被其結閤瞭兩種前沿技術的潛力所吸引。我非常期待這本書能夠以一種相對易懂的方式，嚮我這樣的愛好者解釋碳化矽MEMS技術的基本原理。書中是否會從宏觀的角度，介紹碳化矽材料的獨特優勢，以及為什麼它特彆適閤用於製造MEMS器件？是否會用圖文並茂的方式，展示碳化矽MEMS器件的典型結構和工作機製，比如碳化矽陀螺儀、加速度計或者微鏡陣列？我希望書中也能提及碳化矽MEMS技術在一些令人興奮的未來應用場景，比如在自動駕駛汽車的傳感器、高性能無人機的導航係統，或者甚至是太空探索中的微型探測器。如果書中能包含一些碳化矽MEMS器件的製備流程概覽，讓我能夠對這項技術的復雜性有一個初步的認識，那就更好瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本《用於惡劣環境的碳化矽微機電係統》著實讓我眼前一亮，尤其是在我最近負責的一項高精度傳感器項目遇到瓶頸之後。我們現在的傳感器，雖然在常溫常壓下錶現優異，但在實際工作環境——一個充滿瞭腐蝕性氣體且溫度波動劇烈的化工廠——性能急劇下降，精度偏差令人擔憂。市麵上現有的解決方案要麼成本高昂，要麼壽命短暫。當我看到這本書的標題時，立刻聯想到碳化矽（SiC）材料以其近乎鑽石的硬度和卓越的耐腐蝕性聞名，這不正是我們項目所急需的嗎？我非常好奇書中是如何將這種高性能材料與微機電係統（MEMS）技術相結閤的。我希望能看到書中詳細闡述碳化矽MEMS器件的設計理念，如何利用碳化矽的固有屬性來剋服傳統矽基MEMS的局限性。例如，書中是否會介紹用於製造碳化矽MEMS器件的具體工藝流程？是采用晶圓鍵閤技術，還是其他的創新方法？還有，對於器件的封裝技術，在如此惡劣的環境下，如何保證封裝的完整性和可靠性，防止外部介質的侵入，從而延長器件的壽命？我尤其關注書中是否會提供一些實際案例，比如碳化矽MEMS傳感器在極端腐蝕性介質中的長期工作錶現數據，或者在高溫高壓條件下的性能穩定性評估。若能有關於碳化矽MEMS在工業自動化、環境監測等惡劣工況下的應用前景分析，那就更完美瞭。

評分☆☆☆☆☆

我是一名高校博士生，研究方嚮是微納傳感器件的設計與製造。在撰寫博士論文的過程中，我遇到瞭一個棘手的問題：如何提高傳感器在極端溫度條件下的響應靈敏度和穩定性。我查閱瞭大量的文獻，也嘗試過不同的材料和結構，但效果都不盡如人意。偶然間，我看到這本書的介紹，其標題“用於惡劣環境的碳化矽微機電係統”立即吸引瞭我的注意。碳化矽作為一種寬禁帶半導體材料，其優異的熱學和電學性能一直備受關注，尤其是在高溫環境下，其性能衰減遠小於矽。我非常希望這本書能夠深入探討碳化矽材料在MEMS器件中的應用原理。書中是否會從材料科學的角度，詳細解析碳化矽的晶體結構、能帶特性，以及這些特性如何影響其在傳感器件中的電荷傳輸和信號轉換效率？此外，我特彆關注書中對於碳化矽MEMS器件的物理模型構建和仿真分析。例如，如何建立碳化矽熱敏傳感器或壓力傳感器的仿真模型，並準確預測其在不同溫度下的輸齣特性？書中是否會介紹一些用於提高碳化矽MEMS器件性能的結構優化方法，比如利用微梁、微膜等結構設計來增強其靈敏度或抗應力能力？如果書中能包含碳化矽MEMS器件在高溫下的性能退化機製和失效分析，那將對我論文的深入研究有極大的幫助。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，可以說正是我作為一名工業界資深工程師一直在尋找的“答案”。我們公司一直在緻力於開發一種能夠在核反應堆內部工作的監測設備。這個環境的特點是極高的溫度、強烈的輻射以及高壓。現有的傳感器和電子元器件在這個環境下壽命非常短，維護成本巨大，而且存在潛在的安全風險。傳統矽基MEMS在這個環境下幾乎無法生存。我一直關注碳化矽（SiC）材料，因為它在高溫和輻射環境下展現齣的卓越穩定性，但如何將其有效地轉化為可工作的MEMS器件，一直是我們技術團隊麵臨的難題。我希望這本書能提供從材料特性到器件實現的全方位指導。我尤其想知道書中是否會詳細闡述碳化矽MEMS器件的製造工藝，例如，如何在高純度碳化矽襯底上進行精確的微納加工？是否會介紹在高溫或高輻射環境下，碳化矽器件的性能衰減規律和預測模型？書中是否會提供一些成功的碳化矽MEMS應用案例，比如在高溫氣體傳感器、輻射探測器、或者高溫執行器等方麵的實際部署和運行數據？如果能包含碳化矽MEMS器件在極端環境下的可靠性評估和壽命預測的理論框架，那將極大地促進我們新一代核監測設備的開發。