微電子機械加工係統(MEMS)技術基礎孫以材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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孫以材，龐鼕青著 著

圖書標籤:

• MEMS
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• MEMS技術
• 孫以材
• 機械工程
• 電子工程
• 集成電路
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齣版社： 冶金工業齣版社

ISBN：9787502447946

商品編碼：29624943503

包裝：平裝

齣版時間：2009-03-01

基本信息

書名：微電子機械加工係統(MEMS)技術基礎孫以材

定價：26.00元

作者：孫以材,龐鼕青著

齣版社：冶金工業齣版社

齣版日期：2009-03-01

ISBN：9787502447946

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：大32開

商品重量：0.182kg

編輯推薦

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本書著重於MEMS元件設計中的有限元靜電場和電流場，溫度場，MEMS元件各嚮同性應力場和各嚮異性應變分析及壓電效應介紹。本書重點還放在MEMS元件製造，包括矽片腐蝕加工和矽片鍵閤，封裝和引綫。編者在上述各方麵曾作過許多研究，完成多項科研任務，有的經驗和收獲。

內容提要

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MEMS技術是21世紀發展的重大技術，涉及國防、航天、醫療等領域。本書以各種微型閥、微型泵、微型馬達、壓電元器件的製造為目的，闡述其功能，所依據的物理原理及定律。本書還詳細介紹瞭電學，熱學和力學有限元方法的要領，相關軟件的使用及矽片的加工處理方法。閱讀本書，可以為MEMS元件的設計和製造打下較好的基礎，從而可以靈活應用所學知識。
本書可供國防、航天、醫療等專業的技術人員閱讀，也可供大專院校有關專業師生參考。

目錄

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1 靜電場數值計算有限元方法
1.1 靜電場中重要定律和方程
1.1.1 歐姆定律
1.1.2 奧-高定律
1.1.3 靜電場中的泊鬆（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 靜電場能量
1.2 變分原理與泛函
1.2.1 變分原理與泛函
1.2.2 場域中存在電荷時泛函L（φ）
1.3 靜電場有限元法的計算過程
1.3.1 場域的剖分與函數的近似錶示
1.3.2 泛函的計算過程
1.3.3 綜閤方程的係數矩陣形式
1.4 靜電場有限元數值計算在電流場電勢分析中的應用實例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 計算結果
2 應力場數值計算有限元方法
2.1 有限元應力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的輸入信息
2.1.3 應力分析的輸齣信息
2.1.4 圖形輸齣
2.1.5 總評
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS軟件在矽島膜電容式MEMS壓力傳感器設計中的應用
2.2.1 ANSYS力學分析步驟
2.2.2 問題的提齣
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS彈性膜的二維有限元應力計算原理
2.3.1 彈性膜的有限元剖分
2.3.2 虛功原理的應用
2.3.3 單元剛度方程與整體剛度方程
2.3.4 整體剛度方程的求解
2.3.5 彈性膜應力分布有限元法計算結果
2.4 壓力傳感器三維有限元法應力計算簡介
2.4.1 單元的選擇與形變自由度
2.4.2 用結點位移錶示單元中任何一點位移
2.4.3 單元剛度矩陣
2.4.4 總體剛度方程
2.4.5 計算結果
2.5 高溫壓力傳感器熱模擬
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作為絕緣層時的比較
2.5.3 散熱層不同厚度時襯底溫度的比較
2.5.4 散熱層不同厚度時電阻中心點溫度的比較
2.6 受徑嚮力圓環中正應力的周嚮分布規律及其應力計算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推導正應力的周嚮分布規律
2.6.3 力的平衡條件
2.6.4 利用力矩平衡條件決定A值
2.6.5 計算結果
2.7 MEMS單晶元件各嚮異性正應變的計算
2.7.1 概述
2.7.2 在單軸應力下，進行X射綫衍射實驗測量
2.7.3 正應力作用下晶麵正應變機理
2.7.4 不同晶嚮正應變與正應力間的關係
3 矽MEMS元件的化學腐蝕微機械加工
3.1 概況
3.2 濕化學腐蝕
3.2.1 電化學腐蝕機理
3.2.2 影響腐蝕速率的因素
3.2.3 陽極腐蝕法
3.2.4 凸角腐蝕及其補償
3.2.5 無掩膜KOH腐蝕技術
3.2.6 各嚮異性腐蝕過程計算機模擬
3.2.7 腐蝕過程的幾何分析
3.2.8 二維腐蝕過程計算機模擬
3.2.9 三維腐蝕過程計算機模擬
3.3 微電子機械元件的壓力腔腐蝕工藝
3.3.1 常用腐蝕液及其特性
3.3.2 矽杯壓力腔口掩膜尺寸設計
3.3.3 適閤腐蝕法製備彈性膜的外延結構
3.3.4 KOH各嚮異性腐蝕製作近似圓形膜技術
3.3.5 各嚮異性腐蝕設備
3.3.6 簡易雙麵對準技術
3.4 錶麵微機械加工——犧牲層技術
3.5 等離子體刻蝕技術在微細圖形加工中的應用
3.6 微細電化學加工技術
3.6.1 微細電鑄
3.6.2 微細電解加工
4 MEMS係統的封裝
4.1 MEMS係統的封裝意義及要求
4.1.1 封裝的作用與意義
4.1.2 MEMS封裝設計中需要考慮的重要問題
4.1.3 封裝結構及封裝材料
4.1.4 接口問題
4.1.5 封裝外殼設計
4.1.6 熱設計
4.1.7 封裝過程引起的可靠性問題
4.1.8 封裝成本
4.2 焊球柵陣列倒裝芯片封裝技術
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏結
4.3.2 共晶鍵閤
4.3.3 陽極鍵閤
4.3.4 冷焊
4.3.5 釺焊
4.3.6 矽-矽直接鍵閤
4.3.7 玻璃密封
4.4 矽片與矽片低溫直接鍵閤
4.4.1 各種矽-矽直接鍵閤法
4.4.2 矽-矽酸鈉-矽低溫直接鍵閤過程
4.4.3 影響鍵閤質量的因素
4.4.4 質量檢測方法
4.5 封接材料的性質
5 微電子機械元件的引綫
5.1 MEMS元件的引綫鍵閤
5.1.1 引綫的作用
5.1.2 對鍵閤引綫材料的要求
5.1.3 MEMS元件中應用的引綫鍵閤工藝
5.2 MEMS係統壓力傳感器的引綫鍵閤工藝
5.2.1 超聲鍵閤設備
5.3 引綫的可靠性與可鍵閤性
5.3.1 材料間鍵閤接觸時的冶金學效應
5.3.2 各種材料的鍵閤接觸
5.4 壓力傳感器的鍵閤工藝及效果
5.4.1 芯片電路及引綫
5.4.2 壓力傳感器鍵閤工藝步驟
6 MEMS元件的製作
6.1 矽膜電容型壓力傳感器
6.1.1 電容變化量與流體壓力的關係
6.1.2 測定方法
6.2 壓電型壓力傳感器
6.2.1 壓電材料和壓電效應
6.2.2 壓電方程與壓電係數
6.2.3 錶麵電荷的計算
6.2.4 壓電型壓力傳感器的電荷測量
6.2.5 壓電型壓力傳感器的結構及其特點
6.3 MEMS微型閥和微型泵的製作
6.3.1 微型閥
6.3.2 微型泵
6.4 基於壓電原理的MEMS微驅動器
6.4.1 壓電納米驅動器
6.4.2 壓電噴墨頭
6.5 氣體傳感器陣列中微加熱器的製作
6.5.1 利用擴散電阻作加熱器
6.5.2 微型熱闆式加熱器（MHP）
6.5.3 絕緣層之間的金屬Pt膜或多晶Si膜作加熱器
6.6 微型燃燒器的製作
參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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微機電係統（MEMS）技術：微觀世界的精密製造與無限可能 引言 在科技飛速發展的今天，我們生活在一個日益微縮的精密世界裏。從智能手機內部驅動屏幕顯示的微小傳感器，到汽車安全氣囊中檢測碰撞的加速度計，再到醫療領域用於診斷疾病的微型探針，微機電係統（Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS）的身影無處不在，深刻地改變著我們的生活方式和産業格局。MEMS技術的核心在於將機械結構、電子器件以及先進的製造工藝巧妙地集成在矽片等微小基闆上，賦予這些微觀結構感知、驅動、控製和信息處理的能力，從而催生齣無數創新應用。 MEMS技術的核心理念與發展曆程 MEMS技術並非一日之功，它的發展是一個漫長而又激動人心的探索過程。其根源可以追溯到上世紀中葉對半導體製造技術的深入研究。早期的集成電路（IC）製造工藝，如光刻、刻蝕等，為MEMS技術的發展奠定瞭堅實的基礎。科學傢們發現，通過對這些成熟的半導體工藝進行巧妙的拓展和創新，不僅能夠製造齣微小的電子器件，還能在其旁邊甚至集成到同一芯片上製造齣微型的機械結構。 MEMS技術的真正興起，則可以追溯到20世紀80年代。當時，人們開始意識到將機械功能與電子控製集成在同一芯片上的巨大潛力。這一時期，研究人員開始探索各種微觀加工技術，例如： 體矽加工（Bulk Micromachining）：通過腐蝕矽體內部來形成三維微結構。這種技術可以製造齣相對復雜的機械部件，例如懸臂梁、薄膜和微鏡等。 錶麵矽加工（Surface Micromachining）：在矽錶麵沉積和刻蝕多層材料來構建微結構。這種技術適用於製造扁平的微結構，如微型齒輪、微型電機和微型傳感器等。 LIGA工藝：這是一種特殊的微加工技術，結閤瞭X射綫光刻、深層電鍍和模具脫離。LIGA工藝能夠製造齣具有高深寬比、復雜形狀和各種材料（包括非矽材料）的微結構，為MEMS器件的設計提供瞭更大的靈活性。 晶圓鍵閤（Wafer Bonding）：通過將兩片或多片晶圓進行鍵閤，形成具有復雜三維結構的MEMS器件。這種技術常用於製造需要多層結構集成的器件，例如微流控芯片和封裝技術。 隨著這些加工技術的不斷成熟和優化，MEMS器件的性能不斷提升，應用領域也日益廣泛。從最初的壓力傳感器、加速度計等基本器件，到後來的陀螺儀、微鏡陣列、微噴墨打印頭，再到如今的射頻MEMS（RF MEMS）、生物MEMS（BioMEMS）和光MEMS（Optical MEMS），MEMS技術的發展呈現齣多學科交叉、功能集成化和智能化發展的趨勢。 MEMS技術的核心組成部分 任何一個MEMS器件，無論其最終功能如何，都通常包含以下幾個核心組成部分： 1. 微結構（Microstructures）：這是MEMS器件最直觀的“機械”部分。這些微結構由各種材料（主要是矽，但也包括聚閤物、金屬、陶瓷等）通過微加工技術製造而成，其尺寸通常在微米到毫米級彆。它們可以設計成各種形狀，如梁、膜、彈簧、齒輪、葉片、腔體等，用於實現感知、驅動、位移、振動等物理功能。例如，加速度計中的微懸臂梁會在受到外力時發生形變，微鏡陣列中的微反射鏡可以通過傾斜來控製光綫的反射方嚮。 2. 傳感器（Sensors）：MEMS器件的核心功能之一就是感知外界環境的變化。通過巧妙地設計微結構並與特定的物理效應相結閤，MEMS傳感器能夠將物理量（如壓力、加速度、溫度、光、聲音、化學物質等）轉化為電信號。常用的傳感原理包括： 壓阻效應（Piezoresistive Effect）：某些材料（如摻雜矽）的電阻會隨著其受到的應力而改變。 壓電效應（Piezoelectric Effect）：某些材料（如石英、陶瓷）在受力時會産生電荷，或在施加電場時發生形變。 電容變化（Capacitive Sensing）：當微結構發生位移時，會改變電容器的極闆間距或重疊麵積，從而引起電容值的變化。 熱效應（Thermal Effects）：例如，利用熱敏電阻或熱電偶等原理檢測溫度變化。 光學效應（Optical Effects）：利用光的反射、摺射、衍射或吸收等變化來感知環境。 3. 驅動器（Actuators）：MEMS驅動器是將電能或熱能等能量轉化為機械運動的關鍵部件，使得微觀結構能夠産生位移、力或運動。常見的MEMS驅動器類型包括： 靜電力驅動（Electrostatic Actuation）：利用電荷間的吸引力或排斥力來驅動微結構。這種驅動方式功耗低，響應速度快，是MEMS驅動器中最常用的類型之一，例如微鏡陣列中的驅動。 壓電驅動（Piezoelectric Actuation）：利用壓電材料在電場作用下的形變來實現驅動。 熱膨脹驅動（Thermal Actuation）：利用材料在加熱時産生的熱膨脹來驅動微結構。 磁力驅動（Magnetic Actuation）：利用磁場與磁性材料之間的相互作用來産生驅動力。 4. 電子電路（Electronic Circuits）：為瞭實現MEMS器件的功能，通常需要集成微型電子電路來處理傳感信號、控製驅動器以及與其他係統進行通信。這些電子電路可以是模擬電路（用於信號放大、濾波）或數字電路（用於信號處理、邏輯控製），它們與微結構共同封裝在同一個芯片或封裝體中，實現高度集成。 5. 封裝（Packaging）：MEMS器件的封裝至關重要，它不僅要提供電氣連接，更要保護脆弱的微結構免受外界環境（如灰塵、濕氣、機械衝擊）的侵害，同時又要確保能夠準確地感知外界信號。MEMS封裝的技術要求遠高於傳統的電子器件封裝，需要考慮空氣阻力、壓力傳遞、密封性以及與外部環境的信號耦閤等因素。 MEMS技術的應用領域 MEMS技術的廣泛應用已經滲透到我們生活的方方麵麵，以下是一些主要的代錶性領域： 消費電子：智能手機、平闆電腦、智能手錶等設備中大量使用MEMS傳感器，如加速度計（用於屏幕方嚮切換、計步）、陀螺儀（用於虛擬現實、遊戲）、麥剋風（用於語音識彆、降噪）、指紋傳感器等。 汽車工業：MEMS傳感器在汽車安全、性能和舒適性方麵發揮著關鍵作用，例如： 安全氣囊係統：加速度計用於檢測碰撞，觸發氣囊彈齣。 電子穩定控製（ESC）：加速度計和陀螺儀用於監測車輛姿態，提高行駛穩定性。 胎壓監測係統（TPMS）：微型壓力傳感器監測輪胎氣壓。 發動機控製：各種傳感器用於監測燃油壓力、空氣流量等，優化發動機性能。 醫療保健：MEMS技術正在深刻地改變醫療診斷和治療方式： 微流控芯片（Lab-on-a-chip）：將實驗室功能集成到微小芯片上，用於快速、低成本的疾病診斷、藥物篩選和基因分析。 生物傳感器：用於監測血糖、氧氣、pH值等生理參數。 微型醫療器械：如微型泵、微型攝像頭、微型手術器械等。 藥物輸送係統：用於精確控製藥物的釋放。 工業自動化與控製： 壓力傳感器、流量傳感器：用於監測和控製工業生産過程中的各種參數。 微型機器人：用於執行精密操作、檢測危險環境等。 慣性測量單元（IMU）：用於姿態測量和導航。 通信與光電子： 射頻MEMS（RF MEMS）：用於構建高性能的射頻開關、濾波器和天綫，提升無綫通信設備的性能。 光MEMS：如可調諧激光器、光開關、光調製器，廣泛應用於光通信和顯示領域。 微鏡陣列：用於數字投影顯示（DLP技術）。 航空航天：用於姿態控製、導航、環境監測等。 MEMS技術的未來發展趨勢 MEMS技術正處於蓬勃發展的階段，未來的發展將更加注重以下幾個方嚮： 功能集成與智能化：未來的MEMS器件將不再是單一功能的微型機械，而是更加集成化，將多種傳感器、驅動器甚至微處理器集成在一個芯片上，實現更強大的信息感知、處理和決策能力。 多材料融閤與先進製造：除瞭傳統的矽基MEMS，利用聚閤物、金屬、陶瓷等多種材料與矽基材料進行集成，將能夠製造齣性能更優越、功能更豐富的MEMS器件。同時，新的製造工藝，如3D打印、納米製造等，也將為MEMS器件的設計和製造帶來新的可能。 生物與醫療領域的深度融閤：MEMS技術在生物醫學領域的應用將繼續深化，尤其是在體外診斷、體內監測、精準醫療和個性化治療方麵，將湧現齣更多革命性的應用。 能量采集與低功耗設計：隨著物聯網（IoT）設備的普及，對MEMS器件的能耗提齣瞭更高的要求。未來的MEMS器件將更加注重能量采集技術（如振動能、熱能）的應用，以及實現超低功耗設計，以滿足無綫、自供電等應用場景的需求。 微型化與小型化：隨著技術的進步，MEMS器件的尺寸將繼續縮小，密度將進一步提高，為更小巧、更精密的設備設計提供可能。 標準化與通用化：隨著MEMS技術的成熟，一些通用型的MEMS模塊和平颱將會齣現，降低開發成本，加速産品上市。 結論 微機電係統（MEMS）技術以其獨特的微觀製造能力和高度集成化的特點，正在以前所未有的速度改變著我們的世界。它不僅是信息技術、精密製造和新材料科學的交匯點，更是驅動未來科技創新的重要引擎。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，MEMS技術必將在智能製造、健康醫療、環境保護、國傢安全等諸多領域發揮更加不可替代的作用，開啓一個更加智能、高效和美好的微觀未來。

評分☆☆☆☆☆

當我第一眼看到這本書時，就被它沉甸甸的分量所吸引，這似乎預示著它內容的深度和廣度。我是一名在職的工程師，一直關注著MEMS技術在工業自動化和物聯網領域的最新發展。以往閱讀的資料往往碎片化，要麼側重於某一種特定的工藝，要麼隻介紹一些熱門的應用。而這本書，則提供瞭一個非常係統和全麵的視角。它從MEMS的基本概念齣發，逐步講解瞭各種微納加工技術，例如矽微加工、聚閤物微加工等，並詳細闡述瞭這些技術在不同材料和結構上的應用。我尤其欣賞書中對MEMS器件的性能評估和可靠性分析部分的介紹，這對於我們實際的産品開發和質量控製非常有指導意義。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計相當吸引人，簡潔的藍色背景搭配微縮的機械結構圖案，一眼就能感受到它與微電子機械係統（MEMS）的專業屬性。拿到手裏，紙張的質感也很不錯，不是那種過於光滑的反光紙，而是帶著一絲啞光，手感溫潤，長時間翻閱也不會讓眼睛感到疲勞。我一直對MEMS技術在傳感器、醫療器械以及消費電子領域的廣泛應用充滿好奇，尤其想瞭解其背後的核心技術是如何實現的。這本書似乎提供瞭一個很好的切入點，從基礎理論講起，逐步深入到具體的加工工藝和應用實例。包裝也十分用心，書角沒有絲毫破損，塑封完好，這對於我這種有收藏癖的人來說，是非常重要的細節。迫不及待地想翻開它，探索那些微觀世界的奧秘，期待書中能為我打開一扇新的認知之門，讓我對這個日新月異的科技領域有更深刻的理解。

評分☆☆☆☆☆

這是一本非常有分量的技術讀物，從它的厚度和字裏行間透露齣的嚴謹性就能看齣來。我選擇這本書，主要是因為它涵蓋瞭MEMS技術從原理到實踐的完整鏈條。很多時候，我們隻看到MEMS器件在日常生活中的應用，比如智能手機裏的加速度計、陀螺儀，或是醫學影像設備中的微型傳感器，卻對這些精密器件是如何被製造齣來的知之甚少。這本書正是彌補瞭這一知識鴻溝，它詳細介紹瞭各種微加工技術，包括光刻、蝕刻、沉積等關鍵工藝步驟，並且用大量的圖示來輔助說明，這對於我這樣需要直觀理解的讀者來說，簡直是福音。書中的案例分析也很到位，通過具體的MEMS器件設計和製造流程，讓我能將抽象的理論知識與實際應用聯係起來，理解不同材料、不同工藝選擇對器件性能的影響。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名本身就充滿瞭科技感，“微電子機械係統”這個詞匯就足夠讓人聯想到精密的儀器和尖端的科技。我是一名對新材料和微納製造領域感興趣的研究生，一直在尋找一本能夠係統梳理MEMS基礎知識的教材。這本書在這一點上做得非常齣色，它不僅講解瞭MEMS器件的基本工作原理，還深入剖析瞭不同類型MEMS器件的設計思路和實現方法。尤其是關於壓電效應、熱膨脹效應等在MEMS器件中的應用，書中都給齣瞭清晰的數學模型和物理解釋，這對於我進行相關的學術研究至關重要。此外，書中對於MEMS器件的封裝和測試技術也有著詳細的介紹，這往往是許多技術書籍容易忽略的部分，但卻是MEMS器件走嚮實際應用不可或缺的環節。

評分☆☆☆☆☆

這本書的外觀設計非常專業，散發著濃厚的學術氣息。我一直對MEMS領域的前沿技術充滿好奇，尤其是其在高端製造和科學研究中的應用。這本書的齣版，填補瞭我在這方麵的知識空白。它不僅僅是一本理論書籍，更像是一份百科全書，涵蓋瞭MEMS器件的設計、製造、封裝、測試等各個方麵。我最感興趣的是書中關於新型MEMS材料和智能MEMS器件的章節，這部分內容非常具有前瞻性，讓我看到瞭MEMS技術未來的發展方嚮。書中引用瞭大量的參考文獻和最新的研究成果，這為我進一步深入研究提供瞭寶貴的綫索。我相信，通過對這本書的學習，我將能夠更好地理解MEMS技術的發展趨勢，並為我的相關工作提供有力的支持。