用于恶劣环境的碳化硅微机电系统 (英)张,王晓浩,唐飞,王文弢 9787030268624 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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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
• 材料科学
• 电子工程
• 器件
• 可靠性
• 高温

店铺： 天乐图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29467163231

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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前沿微纳技术在严苛条件下的应用探索 在现代科技飞速发展的浪潮中，对材料性能和器件可靠性的要求日益严苛。从深海探测到太空探索，从极端温度环境下的工业生产到高性能计算中心，许多前沿应用领域都对传统微机电系统（MEMS）提出了严峻的挑战。这些挑战不仅体现在对器件尺寸、集成度和功能性的极致追求，更在于其能够在极端的物理、化学和辐射环境下保持稳定运行的能力。 一、 挑战与机遇：恶劣环境对MEMS的苛刻考验 传统MEMS器件大多基于硅材料，虽然其在微加工工艺、成本控制和集成度方面具有显著优势，但在面对以下恶劣环境时，其性能往往大打折扣，甚至发生不可逆的损伤： 高温环境： 许多工业过程，如发动机内部、地热能源开采、核反应堆等，工作温度可达数百摄氏度，甚至上千摄氏度。硅材料在高温下会发生氧化、形变、材料特性衰减，导致器件失效。高真空或特定气氛下的高温更是加速了这些 degradation 过程。 低温环境： 极端低温，如在太空探索或某些低温制造过程中，硅材料的韧性降低，易发生脆性断裂。此外，低温还会影响器件的电子传输特性，导致性能波动。 腐蚀性环境： 许多化学腐蚀性介质，如强酸、强碱、有机溶剂、卤化物等，会迅速腐蚀硅基MEMS器件，破坏其微观结构。在石油化工、制药、化学传感器等领域，这种挑战尤为突出。 高辐射环境： 在核辐射、太空辐射或高能粒子束环境下，辐射粒子会引起材料的损伤、电离效应和载流子陷阱，导致器件参数漂移、性能下降甚至永久性失效。航空航天、核能、高能物理等领域对此类器件的需求迫切。 高压/高真空环境： 极高的压力或极低的真空度都会对MEMS器件的结构完整性和密封性提出极高要求。例如，深海探测器需要承受巨大的水压，而太空真空环境则对材料的挥发性和密封性构成挑战。 机械冲击与振动： 极端环境往往伴随着剧烈的机械冲击和振动，如国防军事应用、交通运输等。MEMS器件的微小结构需要具备足够的抗冲击和抗振动能力，以保证长期稳定工作。 这些严苛条件不仅要求MEMS材料本身具备优异的耐受性，还需要在器件设计、制造工艺、封装技术等方面进行全面的革新。传统的以硅为主的MEMS技术，在这些“极限”应用场景下，显现出明显的局限性。这为新型高性能材料在MEMS领域的应用提供了广阔的机遇。 二、 碳化硅（SiC）：在极端环境中闪耀的“未来之星” 在众多候选材料中，碳化硅（SiC）因其独特的物理和化学性质，已成为应对恶劣环境MEMS器件的理想选择。SiC是一种由硅和碳组成的化合物半导体，其原子间的强共价键赋予了它一系列卓越的性能，使其在高温、高压、高辐射和腐蚀性环境中表现出远超硅的优越性。 卓越的高温性能： SiC具有极高的熔点（约2730°C），在高达1500°C甚至更高的温度下仍能保持其结构稳定性和机械强度。这使其成为高温MEMS器件的首选材料。 优异的化学稳定性： SiC对大多数酸、碱和腐蚀性化学物质具有极强的抵抗力，这使得基于SiC的MEMS器件能够在腐蚀性介质中可靠工作，为化学传感器、微流控芯片等应用提供了可能。 出色的机械性能： SiC具有极高的硬度（仅次于金刚石）和杨氏模量，能够承受极大的应力，不易发生形变或断裂。这对于需要承受高压或剧烈机械冲击的应用至关重要。 强大的抗辐射能力： SiC的晶体结构对辐射损伤具有很强的抵抗力，能够有效减少辐射引起的材料性能退化和器件失效。这使其在核工业、航空航天和粒子探测等领域具有巨大的应用潜力。 良好的半导体特性： 尽管SiC以其机械和热学性能著称，但其作为半导体材料的特性同样值得关注。SiC具有宽带隙，能够实现高功率、高频率和耐高温的电子器件，为集成SiC MEMS系统提供了基础。 这些特性使得SiC成为开发下一代恶劣环境MEMS器件的关键材料，为解决传统MEMS技术的瓶颈提供了革命性的解决方案。 三、 SiC MEMS技术的关键挑战与发展方向 尽管SiC材料本身优势显著，但将其应用于MEMS技术仍面临一系列技术挑战： SiC微加工工艺复杂性： 相较于成熟的硅微加工技术，SiC的加工难度更大。其高硬度使得传统的刻蚀技术（如湿法刻蚀）效率低下且难以实现高纵横比的精密结构。干法刻蚀，尤其是等离子体刻蚀，成为目前主流的SiC微加工手段，但仍需克服刻蚀速率、选择性、各向异性等问题。开发更高效、更精密的SiC微加工工艺是推动SiC MEMS发展的基础。 SiC薄膜制备与集成： 在某些应用中，需要制备高质量的SiC薄膜。SiC薄膜的生长（如化学气相沉积CVD）技术、应力控制以及与其他材料的界面兼容性是需要解决的关键问题。如何实现SiC与其他功能材料（如压电材料、金属导电层）的高效集成，是构建复杂SiC MEMS器件的关键。 SiC器件的驱动与传感机制： 如何有效地驱动和传感SiC MEMS器件是另一重要课题。针对SiC的特性，需要开发适应其高温、高压等工作环境的驱动器（如热驱动、压电驱动）和传感器（如压阻式、电容式、光学式）。 SiC MEMS的封装技术： 恶劣环境下的SiC MEMS器件需要特殊的封装技术来保护其免受外部环境的进一步影响，并保证其长期可靠性。耐高温、耐腐蚀、高密封性的封装材料和技术是必不可少的。例如，采用金属或陶瓷封装，并发展能够承受极端温度变化的密封技术。 SiC MEMS的可靠性评估与建模： 针对SiC MEMS器件在极端条件下的工作特性，需要建立完善的可靠性评估标准和仿真模型。这有助于预测器件的寿命，优化设计，并降低研发成本。 发展方向： 高性能SiC微纳加工技术： 进一步优化等离子体刻蚀工艺，探索新型刻蚀技术（如聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀），提高刻蚀精度和效率。开发新型SiC薄膜生长技术，实现高性能、低应力的SiC薄膜。 异质集成与多功能SiC MEMS： 研究SiC与其他材料（如金属、陶瓷、压电材料、氧化物）的集成技术，构建集传感、驱动、信号处理于一体的多功能SiC MEMS器件。 新型SiC MEMS器件的设计与应用： 针对特定恶劣环境应用场景，开发创新性的SiC MEMS传感器（如高温压力传感器、腐蚀性介质流量计、高辐射环境下的陀螺仪）、执行器和微系统。 SiC MEMS的封装与测试技术： 研发耐极端环境的封装材料和技术，建立相应的可靠性测试平台，为SiC MEMS器件的实际应用提供保障。 四、 展望：SiC MEMS驱动的未来科技革命 碳化硅微机电系统（SiC MEMS）作为一种颠覆性的技术，正以前所未有的力量推动着科技的进步。其在恶劣环境下的卓越性能，将为众多关键领域带来革命性的突破： 航空航天与国防： 用于探测极端空间环境的传感器，高精度导航系统，以及能够在高温、高压、高辐射环境下工作的战斗机、导弹等关键部件。 能源与环境监测： 用于监测高温高压的油气井内部状况，地热能源开采的传感器，核电站的辐射监测设备，以及监测严苛工业过程的传感器。 汽车工业： 用于发动机舱内部的高温传感器，涡轮增压器内的传感器，以及在严苛路况下工作的汽车电子元件。 医疗与生命科学： 用于高温高压消毒的微型设备，以及能够在体内极端环境中工作的生物传感器。 工业制造： 用于监测高温炉、熔炼设备等极端工业环境的传感器，提高生产效率和安全性。 SiC MEMS技术的发展，不仅是对现有MEMS技术的升级，更是对未来科技发展方向的一次引领。它将使我们能够深入探索之前无法触及的极端环境，为人类的认知边界和技术应用开辟新的疆域。随着技术的不断成熟和成本的逐步降低，SiC MEMS必将成为未来高性能、高可靠性微纳器件的重要基石，深刻改变我们的世界。

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读完之后，我感觉这本书就像打开了一扇通往极端环境应用的大门，让我对碳化硅MEMS的潜力和挑战有了更深刻的认识。书中详细阐述了碳化硅材料的物理化学特性，比如它在高温下的稳定性、对化学腐蚀的抵抗力以及良好的绝缘性能，这些都是它能够胜任恶劣环境的基石。而MEMS技术则赋予了这些器件微型化、集成化和智能化。我特别印象深刻的是关于碳化硅MEMS器件在传感器方面的应用，比如高温压力传感器、高温应变片、甚至用于高温气体检测的传感器。这些传感器在石油化工、地热开发、航空发动机等领域都具有不可替代的价值。书中还提到了驱动器和微执行器的设计，这部分内容则展示了如何在高温或腐蚀性环境中实现精确的运动控制，这对于微型机器人、精密阀门等应用至关重要。当然，书中也坦诚地讨论了碳化硅MEMS制造过程中的困难，比如高温工艺的要求、材料的脆性以及复杂的器件集成等，这使得这本书的论述更加客观和全面。总体而言，这本书提供了一个从基础理论到具体应用的完整视角，非常适合对这一前沿领域感兴趣的研究人员和工程师。

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这本书的内容着实让我眼前一亮，特别是对于碳化硅MEMS在一些极端环境下的实际应用案例分析。那些案例让我感觉仿佛亲临现场，看到了这些微小的器件如何在火箭发动机舱内监测温度和压力，如何在深海探测器中抵御海水腐蚀，或者在核反应堆环境中进行精密操作。书中对不同类型的恶劣环境进行了细致的分类，并针对每种环境提出了相应的碳化硅MEMS解决方案。例如，在涉及高温和强腐蚀的化工环境中，如何选择合适的封装材料和密封技术，以保证器件的长期可靠性。在需要承受高辐射的场景下，如何通过材料改性和器件结构设计来提高抗辐射能力。这些细节的描述，让我对碳化硅MEMS的实用性和工程性有了更直观的认识。我尤其欣赏书中对于器件的可靠性评估和寿命预测方面的探讨，这对于任何一项工程应用来说都是至关重要的。这本书不仅仅停留在理论层面，而是深入到实际工程应用中可能遇到的各种问题，并提供了可行的思路和解决方案，这对于我今后的工作会有很大的启发。

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从技术细节上来说，这本书的深度和广度都让我感到惊喜。它不仅仅是简单地罗列碳化硅MEMS的应用，而是深入到了微器件的设计理念、制造工艺以及性能表征的层面。我了解到，为了满足恶劣环境的需求，碳化硅MEMS的设计需要考虑很多特殊的因素，比如热应力管理、应力集中点的优化、以及如何避免在高温下发生的材料退化等。在制造工艺方面，书中详细介绍了与碳化硅相关的微加工技术，例如等离子体刻蚀、外延生长以及高温退火等，这些都是实现高性能碳化硅MEMS的关键。而性能表征部分，则涉及到了如何在极端环境下对器件进行精确的测量和评估，这本身就是一项挑战。书中通过具体的实验数据和模拟结果，直观地展示了碳化硅MEMS在高温、高压、腐蚀等条件下的工作状态，让我对这些器件的性能有了量化的认识。这种深入的技术探讨，对于我理解碳化硅MEMS的工程实现和优化设计非常有帮助。

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这本书的书名就足够吸引人了，“用于恶劣环境的碳化硅微机电系统”，听起来就充满了硬核科技感。我平时对材料科学和微纳技术都有一些关注，而碳化硅（SiC）本身就是一种非常优秀的半导体材料，耐高温、耐腐蚀、高功率密度，在恶劣环境下应用潜力巨大，一直是研究的热点。MEMS（微机电系统）更是将微观世界的精密机械与电子学结合，实现了很多不可思议的功能。所以，当看到这个结合点时，我立刻就被勾起了兴趣。想象一下，那些需要承受极端温度、高压、腐蚀性介质甚至强辐射的工业、航空航天、深海探测等领域，如果能够部署基于碳化硅的微型传感器、执行器或者其他器件，那将是多么大的技术飞跃。这本书的出现，恰好填补了我对这方面具体应用的了解空白，尤其是在“恶劣环境”这个特定场景下的应用，我非常期待能够看到作者们是如何将碳化硅材料的优异性能与MEMS技术巧妙结合，克服材料和工艺上的挑战，设计出能在这些严苛条件下稳定工作的系统。这本书的作者们，张、王晓浩、唐飞、王文弢，虽然我不太熟悉他们在此领域之前的具体著作，但这个研究方向本身就说明了他们是有一定的前瞻性和专业性的。总体来说，这本书给我一种“未来已来”的感觉，迫不及待想一探究竟。

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我一直对能够应对严峻挑战的工程技术充满好奇，而这本书所聚焦的“用于恶劣环境的碳化硅微机电系统”正好满足了我的这一好奇心。它描绘了一个充满想象力的未来图景：在人类难以直接抵达或维持操作的极端环境中，微小的、高性能的碳化硅MEMS器件能够承担起至关重要的任务。这本书的价值在于，它不仅仅是停留在理论构想，而是深入探讨了如何将这一构想变为现实。从材料科学的角度，它揭示了碳化硅材料为何如此适合承担重任；从微电子机械系统的角度，它展现了如何将材料的优势转化为具体的功能器件。书中对于各种恶劣环境的定义和分析，以及针对不同环境所设计的不同器件和技术方案，都给我留下了深刻的印象。我看到了这本书在推动相关技术发展方面的潜力，也认识到实现这些目标所需要克服的巨大挑战。它是一本能激发思考、启迪灵感的书籍，让我对接下来的科技发展充满了期待。