微機電係統設計：建模、仿真與可視化 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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盧桂章，趙新 著

圖書標籤:

• 微機電係統
• MEMS
• 建模
• 仿真
• 可視化
• 傳感器
• 執行器
• 集成電路
• 設計
• 工程
• 微納技術

店鋪： 夜語笙簫圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030292209

商品編碼：29690908338

包裝：精裝

齣版時間：2010-10-01

基本信息

書名：微機電係統設計：建模、仿真與可視化

定價：56.00元

作者：盧桂章,趙新

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2010-10-01

ISBN：9787030292209

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.599kg

編輯推薦

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《半導體科學與技術叢書》將緻力於反映半導體學科各個領域的基本內容和**進展，力求覆蓋較廣闊的前沿領域，展望該專題的發展前景，包括半導體物理、材料、器件、電路等方麵的進展和所開展的工作。
本書為其中一冊，建立瞭一種微電子機械器件的設計方法，可供微電子機械設計人員參考使用，也可作為相關專業高年級本科生和研究生的專業課教材和學習參考書。

內容提要

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本書建立瞭一種微電子機械器件的設計方法，對現有設計係統功能作瞭一些重要的補充和完善，其基本思路是在設計階段，當版圖和工藝設計完成後，通過建立運動部件的動態模型，進行三維可視化仿真，形成器件在虛擬環境中運行，從而對器件的運動功能進行評測。這種功能主要體現在：應用三維可視化技術得到器件加工後的三維實體模型和進行可加工性驗證；對此實體模型進行動態建模，並進行虛擬運行，以考察其運動性能：建立基於IP庫的設計係統，提供瞭一種自頂嚮下和自底嚮上相結閤的設計手段。係統是開放的，各種功能都有延伸發展的空間。
本書可供微電子機械設計人員參考使用，也可作為相關專業高年級本科生和研究生的專業課教材和學習參考書。

目錄

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前言
章 緒論
1.1 MEMS發展曆史的簡要迴顧
1.2 MEMS應用一瞥
1.2.1 傳感微係統
1.2.2 微執行器
1.2.3 信息微係統
1.2.4 生物微係統
1.2.5 軍事用MEMS器件
1.3 MEMS設計現狀概述
1.3.1 係統級仿真
1.3.2 器件級仿真
1.3.3 工藝級仿真
1.4 當前MEMS設計存在的問題及其解決途徑
1.4.1 MEMS與IC的差彆及其對設計的影響
1.4.2 動態性能的建模仿真與虛擬運行
1.4.3 IP庫與虛擬工藝
1.4.4 關於設計方法學的一些思考
參考文獻
第2章 微機電係統工藝級仿真——虛擬工藝技術
2.1 虛擬工藝的一般概念
2.1.1 MEMS的工藝仿真
2.1.2 什麼是虛擬工藝
2.1.3 虛擬工藝的兩種技術路綫
2.2 微機電係統製造工藝
2.2.1 光刻
2.2.2 錶麵矽工藝
2.2.3 體矽工藝
2.2.4 鍵閤工藝
2.2.5 LIGA工藝
2.2.6 其他工藝
2.3 基於專傢知識的工藝流程仿真
2.3.1 基於體塊模型的虛擬工藝
2.3.2 基於體素（voxel）模型的虛擬工藝
2.4 基於物理模型的MEMS工藝仿真
2.4.1 投影式光學光刻工藝仿真
2.4.2 DRIE工藝仿真
2.5 小結
參考文獻
第3章 微機電係統的行為級仿真建模方法
3.1 基於機理的動態模型建模方法
3.1.1 微懸臂梁動力學模型
3.1.2 微加速度計的動態模型
3.1.3 微馬達的動態模型
3.2 基於係統辨識的動態模型建模方法
3.2.1 基於係統辨識的建模方法
3.2.2 基於係統辨識的建模方法的實施過程
3.3 MEMS器件動態模型建模實例
3.3.1 電容式微加速度計的動態模型
3.3.2 微流量泵的動態模型
3.4 基於標準等效結構的建模方法
3.4.1 基本思路和一些概念
3.4.2 等效到機械域的等效結構建模方法
3.5 電路標準等效模型的建模與仿真方法
3.5.1 基本思路和一些概念
3.5.2 標準等效結構模型
3.5.3 靜電換能器模型
3.6 采用VHDL AMS語言的建模與仿真方法
3.6.1 VHDL AMS建模方法
3.6.2 微加速度計的VHDL AMS語言建模與仿真
3.7 小結
參考文獻
第4章 微機電係統的虛擬運行
4.1 虛擬運行的實現框架
4.1.1 什麼是虛擬運行
4.1.2 虛擬運行的入口——虛擬組裝
4.1.3 虛擬運行的流程
4.1.4 動態模型求解
4.1.5 三維可視化技術
4.2 虛擬運行實例
4.2.1 微懸臂梁機理模型求解與虛擬運行
4.2.2 微馬達機理模型數值解與虛擬運行
4.2.3 微流量泵的模型與虛擬運行
4.3 小結
參考文獻
第5章 基於IP庫的MEMs設計係統
5.1 基於IP庫的MEMS設計方法
5.1.1 IP庫的概念
5.1.2 基於IP庫的MEMS設計流程
5.2 可視化建模方法——虛擬組裝
5.2.1 虛擬組裝的基本流程
5.2.2 基於節點分析法的虛擬組裝
5.2.3 基於節點分析法的虛擬組裝的實現
5.3 基於IP庫的MEMs設計係統的形式化描述
5.3.1 IP庫的形式化描述
5.3.2 係統功能形式化描述
5.3.3 設計係統的形式化描述
5.4 基於IP庫的MEMS設計係統實現
5.4.1 基於IP庫的MEMS設計係統的總體框架
5.4.2 IP模塊及IP庫的實現
5.4.3 微泵設計過程的實現
5.4.4 基於IP庫的MEMS設計係統的器件設計
5.5 小結
參考文獻
第6章 MEMS器件設計案例
6.1 微鏡光開關的設計
6.1.1 微鏡光開關的總體設計
6.1.2 靜電驅動光開關模型
6.1.3 光開關結構模態分析
6.1.4 光開關虛擬運行
6.1.5 虛擬工藝
6.2 矽微加速度計的設計
6.2.1 矽微加速度計概述
6.2.2 電容式微加速度計結構設計與分析
6.2.3 雙端四梁微加速度計的虛擬工藝仿真
6.2.4 雙端四梁微加速度計的虛擬組裝
6.2.5 雙端四梁加速度計的虛擬運行
6.2.6 加工結果及機械性能檢驗
6.2.7 封裝及電路測試
6.3 靜電驅動式微夾鉗的設計
6.3.1 靜電驅動式微夾鉗概述
6.3.2 靜電驅動式微夾鉗結構設計與分析
6.3.3 虛擬工藝仿真
6.3.4 基於機械域等效結構的虛擬組裝
6.3.5 基於電域的基本等效結構模型的虛擬運行
6.3.6 實際加工結果及其精度驗證
6.4 小結
參考文獻
《半導體科學與技術叢書》已齣版書目

作者介紹

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文摘

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序言

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微機電係統設計：建模、仿真與可視化 一、 項目背景與研究意義 微機電係統（MEMS）作為一項革命性的技術，正以前所未有的速度滲透到我們生活的方方麵麵。從智能手機的傳感器、醫療診斷設備，到航空航天領域的精密導航，再到工業生産的自動化控製，MEMS的 ubiquity 已經成為現代科技不可或缺的一部分。MEMS器件的微小尺寸、高集成度、低功耗以及獨特的功能，使其在諸多領域展現齣巨大的應用潛力。然而，MEMS的設計與製造過程卻麵臨著嚴峻的挑戰。其固有的跨學科性，涉及微電子學、機械工程、材料科學、物理學、化學等多個學科領域，使得單一學科的知識難以支撐其復雜的設計需求。 MEMS器件的物理行為通常受到多物理場耦閤效應的影響，例如機械應力與電場、溫度與流體動力學等的相互作用。這些耦閤效應的精確理解和預測，對於保證器件的性能、可靠性和魯棒性至關重要。傳統的設計方法，依賴於經驗和迭代，在MEMS領域顯得力不從心。由於MEMS器件的尺寸極小，其性能的細微變化往往會導緻宏觀功能的巨大差異。而物理原型製造的成本高昂且周期漫長，使得在設計初期進行大量的實驗驗證變得不切實際。因此，一套係統性的、高效的、可重復的設計流程，能夠有效降低研發成本，縮短研發周期，並最終實現高性能、高可靠性的MEMS器件，是當前MEMS工程領域迫切需要解決的關鍵問題。 本研究聚焦於MEMS器件的設計方法論，旨在建立一套基於建模、仿真與可視化的集成化設計流程。通過深入研究MEMS器件的設計原理，利用先進的建模技術準確描述器件的幾何結構和物理特性；藉助強大的仿真工具，預測器件在不同工作條件下的行為錶現，揭示其內部的復雜耦閤物理現象；並結閤直觀的可視化手段，幫助設計者理解仿真結果，優化設計參數，從而實現對MEMS器件設計的科學化、係統化和智能化。這種方法論的建立，不僅能夠極大地提升MEMS設計效率，降低研發門檻，更能推動MEMS技術在更廣泛領域的創新與應用，為實現下一代智能傳感器、精密執行器以及微型機器人等前沿技術提供堅實的基礎。 二、 研究內容概述 本研究深入探討瞭微機電係統（MEMS）的設計方法，核心在於構建一個集建模、仿真與可視化於一體的完整設計流程。本研究並非簡單羅列MEMS器件的種類或應用，而是著力於揭示和傳授MEMS設計背後的科學原理、工程方法以及先進工具的應用。 1. MEMS器件的建模理論與實踐 多尺度與多物理場建模： MEMS器件的設計涉及到從微觀層麵的材料行為到宏觀層麵的係統集成，因此，理解並掌握不同尺度下的建模方法至關重要。研究將深入探討如何建立能夠準確描述MEMS器件的幾何形狀、材料屬性以及多物理場耦閤效應（如靜電、壓電、熱、流體、磁場等）的數學模型。這包括對連續介質力學、電磁學、熱力學以及流體動力學等基礎物理理論在MEMS尺度下的具體體現進行分析。 解析建模與數值建模： 對於一些簡單的MEMS結構，可以采用解析方法建立精確的數學模型，快速獲得設計初期的性能評估。但對於復雜的幾何形狀和耦閤效應，解析方法往往難以實現。因此，本研究將重點介紹基於有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限差分法（FDM）等數值方法的建模技術。這些方法能夠處理復雜邊界條件和非綫性問題，為MEMS器件的精確設計提供強大的支持。 模型降階與高效錶達： 復雜的MEMS器件模型往往需要巨大的計算資源。研究將探討模型降階技術，例如模態分析、本徵正交分解（POD）等，用於簡化模型，減少計算量，從而加速仿真過程，提高設計效率，尤其是在需要進行大量參數掃描或優化時。 麵嚮應用的特定模型： 針對不同類型的MEMS器件（如微傳感器、微執行器、微流控芯片等），研究將介紹其特有的建模方法和考慮因素。例如，針對微傳感器的建模，將關注其靈敏度、分辨率、綫性度等關鍵性能參數的預測；針對微執行器的建模，將重點研究其驅動力、響應速度、功耗等。 2. MEMS器件的仿真分析技術 仿真環境與工具： 本研究將介紹和評述當前主流的MEMS仿真軟件，如COMSOL Multiphysics, ANSYS, Coventorware等。這些軟件提供瞭強大的建模、網格劃分、求解器以及後處理功能，能夠實現對MEMS器件的多物理場耦閤仿真。研究將重點講解如何有效地利用這些工具，將建立的物理模型轉化為可執行的仿真任務。 穩態與瞬態仿真： 仿真內容將涵蓋穩態分析，用於預測器件在穩定工作條件下的性能，以及瞬態分析，用於研究器件的動態響應，如頻率響應、阻尼特性、瞬態功耗等。 參數化掃描與優化仿真： 為瞭在設計過程中探索設計參數空間，本研究將介紹如何進行參數化掃描，係統地研究不同設計參數對器件性能的影響。在此基礎上，還將探討如何利用優化算法（如遺傳算法、梯度下降法等）與仿真工具相結閤，實現MEMS器件的自動設計和性能優化，以達到預設的設計目標。 可靠性與魯棒性仿真： MEMS器件的可靠性是其商業化應用的關鍵。研究將涉及如何通過仿真預測器件在各種應力、溫度、濕度以及老化效應下的性能衰減和失效機理，從而指導設計者進行可靠性設計。同時，也將研究環境變化對器件性能的影響，提高器件的魯棒性。 3. MEMS設計結果的可視化與解釋 仿真結果的直觀呈現： 仿真結果往往是大量的數值數據。本研究將強調如何利用可視化工具將這些數據轉化為易於理解的圖形和動畫，例如位移雲圖、應力分布圖、電勢分布圖、流體速度場圖等。這些可視化結果能夠直觀地展示器件內部的物理現象，幫助設計者發現潛在的問題。 多物理場耦閤的可視化： MEMS器件的核心在於多物理場的耦閤。研究將重點介紹如何有效地可視化和理解這些耦閤效應，例如，如何同時展示電場激勵下的形變，或溫度變化引起的熱應力分布。 設計空間探索與交互式可視化： 結閤參數化掃描和優化仿真，研究將介紹如何構建交互式的可視化界麵，使設計者能夠實時觀察不同設計參數變化對器件性能的影響，從而更直觀地進行設計決策。 與CAD/CAM的集成： 研究還將探討如何將仿真和可視化結果與CAD（計算機輔助設計）和CAM（計算機輔助製造）流程進行集成，實現設計、仿真、製造的無縫對接，加速MEMS器件的整個生命周期。 三、 預期成果與創新點 係統性的MEMS設計方法論： 本研究旨在建立一套完整、係統且可操作的MEMS設計方法論，涵蓋從概念設計、理論建模、仿真分析到結果可視化和優化設計的全過程。該方法論將為MEMS工程師提供一套科學的設計框架，剋服傳統設計方法在復雜性和效率上的局限。 集成化設計流程： 通過整閤先進的建模技術、強大的仿真工具以及直觀的可視化手段，本研究將構建一個高效的集成化MEMS設計流程。該流程能夠顯著縮短MEMS器件的研發周期，降低設計成本，並提高設計成功率。 深入的多物理場耦閤分析： 聚焦於MEMS器件中復雜的多物理場耦閤效應，本研究將提供深入的理論分析和仿真手段，幫助設計者準確理解和預測這些耦閤現象對器件性能的影響，從而實現更精準的設計。 創新的可視化與交互式設計： 在可視化方麵，本研究不僅關注結果的呈現，更強調對復雜物理現象的直觀解釋以及交互式設計。通過先進的可視化技術，讓設計者能夠更深入地洞察設計細節，並直觀地進行設計優化。 加速MEMS技術的産業化應用： 通過提供一套高效、可靠的設計工具和方法，本研究將直接助力MEMS技術的産業化進程。無論是新型傳感器、微執行器還是微流控係統，都將受益於本研究提齣的設計理念和技術，從而更快地實現産品化和商業化，推動相關領域的科技進步和産業升級。 推動學科交叉與人纔培養： MEMS的設計inherently involves跨學科的知識。本研究通過係統性的方法論，將有助於促進不同學科背景的研究者和工程師之間的交流與閤作，培養具備跨領域知識和工程實踐能力的復閤型人纔。 四、 目標讀者 MEMS工程師與研發人員： 緻力於MEMS器件的設計、開發與優化的工程師和研究人員，特彆是希望提升設計效率、解決復雜耦閤問題、或進行性能優化的從業者。 高校與科研院所的學生： 學習微電子學、機械工程、材料科學、物理學、電子工程等相關專業的本科生、碩士生和博士生，希望深入瞭解MEMS設計原理、掌握先進仿真工具、為未來的科研或職業生涯打下堅實基礎。 對MEMS技術感興趣的技術管理者： 需要瞭解MEMS技術發展趨勢、評估MEMS項目可行性、或對MEMS創新應用進行決策的技術領導者。 相關行業的技術支持與應用專傢： 從事傳感器、執行器、微流控、醫療器械、汽車電子、消費電子等相關行業的工程師，需要理解MEMS器件的設計原理和性能特點，以便更好地進行産品集成與應用。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本書的時候，我的第一感受是它的厚度和分量，這顯然不是一本泛泛而談的入門讀物，而是一部可以作為長期參考手冊的力作。我翻閱瞭其中關於“建模”的章節，發現作者並沒有停留在簡單的理論推導上，而是深入探討瞭如何將實際的物理過程轉化為數學模型，這一點對於工程實踐者來說至關重要。書中的案例分析似乎非常貼近實際工程問題，比如傳感器和執行器的設計挑戰，這讓我感到非常踏實。它強調的不僅僅是“知道”原理，更是“如何應用”原理去解決真實世界中的難題。尤其是那些涉及到多物理場耦閤的章節，那些復雜的偏微分方程和邊界條件的處理，都被作者細緻地梳理和解析，讀起來雖然需要集中精力，但每深入一層，都會有一種豁然開朗的成就感，仿佛自己正在親手構建一個精密的微觀器件。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計非常引人注目，那種深邃的藍色調和抽象的幾何圖形組閤在一起，立刻抓住瞭我的眼球。雖然我對“微機電係統設計”這個領域瞭解不多，但這本書的標題——《微機電係統設計：建模、仿真與可視化》——聽起來就充滿瞭挑戰性和前沿性。我迫不及待地翻開目錄，發現它似乎將復雜的理論知識以一種結構化的方式呈現齣來，從基礎概念的建立到高級應用的探討，邏輯清晰，步步深入。我特彆關注瞭關於“可視化”的部分，想象著如何能將那些肉眼不可見的微觀世界通過軟件工具生動地展現齣來，這無疑是理解復雜動態係統的關鍵。這本書的排版也相當考究，圖文並茂，即使是初次接觸這個領域的讀者，也能在豐富的插圖和詳實的文字說明中找到學習的樂趣，而不是被密密麻麻的公式和晦澀的術語所睏擾。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格是那種非常嚴謹、一絲不苟的學術風格，但令人驚喜的是，它在保持專業性的同時，並沒有犧牲可讀性。我注意到作者在解釋一些關鍵概念時，會穿插一些曆史背景或者應用前景的討論，這使得原本枯燥的工程數學變得生動起來。尤其是在“可視化”這一塊，我看到有關於如何將仿真結果渲染成三維動態圖譜的介紹，這極大地提升瞭溝通效率——畢竟，一個好的圖勝過韆言萬語的報告。對於需要嚮非專業人士解釋復雜設計成果的研究人員或工程師來說，這本書提供的工具和思路無疑是寶貴的財富。它教會我的不僅僅是技術，更是一種高效且富有洞察力的知識傳遞方式。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書的“仿真”部分抱有極高的期待，因為在當前的技術迭代速度下，仿真能力幾乎是衡量一個工程師水平的重要標準。我隨手翻到中間關於有限元分析（FEA）的部分，發現書中對不同求解器的選擇和參數設置有著非常詳盡的指導，這可比網上那些零散的教程要係統和深入得多。它似乎不僅告訴我們“做什麼”，更重要的是解釋瞭“為什麼這麼做”，以及在不同情境下選擇特定算法的優劣權衡。對於我這種習慣於動手實踐的人來說，這本書提供瞭一種嚴謹的思維框架，讓我在麵對新的仿真任務時，不再是盲目試錯，而是能夠基於紮實的理論基礎進行高效的優化和驗證。這本教材更像是一位經驗豐富的大師，手把手地引導你走過從概念到虛擬原型的全過程。

評分☆☆☆☆☆

總的來說，這本書給我的感覺是“厚重而實用”。它沒有追求短平快地讓你掌握皮毛，而是緻力於打下一個堅不可摧的知識地基。我欣賞它那種對細節的執著追求，無論是公式的推導過程，還是軟件操作的特定步驟，都處理得恰到好處。這本書仿佛是作者多年一綫工作經驗和學術研究的結晶，將理論的深度和工程的廣度完美地融閤在一起。對於任何渴望在微機電係統領域深耕，並希望從“會用工具”躍升到“理解工具背後的原理”的人來說，這本書無疑是一份值得珍藏的資源，它提供的知識體係是如此全麵和深入，足以支撐未來的長期發展。