微电子机械加工系统(MEMS)技术基础孙以材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

孙以材，庞冬青著 著

图书标签:

• MEMS
• 微电子机械系统
• 微加工
• 传感器
• MEMS技术
• 孙以材
• 机械工程
• 电子工程
• 集成电路
• 微纳技术

店铺： 广影图书专营店

出版社： 冶金工业出版社

ISBN：9787502447946

商品编码：29729155417

包装：平装

出版时间：2009-03-01

基本信息

书名:微电子机械加工系统(MEMS)技术基础孙以材

定价：26.00元

售价：17.7元,便宜8.3元,折扣68

作者:孙以材,庞冬青著

出版社：冶金工业出版社

出版日期：2009-03-01

ISBN：9787502447946

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：大32开

商品重量：0.182kg

编辑推荐

---

本书着重于MEMS元件设计中的有限元静电场和电流场，温度场，MEMS元件各向同性应力场和各向异性应变分析及压电效应介绍。本书重点还放在MEMS元件制造，包括硅片腐蚀加工和硅片键合，封装和引线。编者在上述各方面曾作过许多研究，完成多项科研任务，有一定的经验和收获。

内容提要

---

MEMS技术是21世纪发展的重大技术，涉及国防、航天、医疗等领域。本书以各种微型阀、微型泵、微型马达、压电元器件的制造为目的，阐述其功能，所依据的物理原理及定律。本书还详细介绍了电学，热学和力学有限元方法的要领，相关软件的使用及硅片的加工处理方法。阅读本书，可以为MEMS元件的设计和制造打下较好的基础，从而可以灵活应用所学知识。
本书可供国防、航天、医疗等专业的技术人员阅读，也可供大专院校有关专业师生参考。

目录

---

1 静电场数值计算有限元方法
1.1 静电场中重要定律和方程
1.1.1 欧姆定律
1.1.2 奥-高定律
1.1.3 静电场中的泊松（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 静电场能量
1.2 变分原理与泛函
1.2.1 变分原理与泛函
1.2.2 场域中存在电荷时泛函L（φ）
1.3 静电场有限元法的计算过程
1.3.1 场域的剖分与函数的近似表示
1.3.2 泛函的计算过程
1.3.3 综合方程的系数矩阵形式
1.4 静电场有限元数值计算在电流场电势分析中的应用实例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 计算结果
2 应力场数值计算有限元方法
2.1 有限元应力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的输入信息
2.1.3 应力分析的输出信息
2.1.4 图形输出
2.1.5 总评
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用
2.2.1 ANSYS力学分析步骤
2.2.2 问题的提出
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理
2.3.1 弹性膜的有限元剖分
2.3.2 虚功原理的应用
2.3.3 单元刚度方程与整体刚度方程
2.3.4 整体刚度方程的求解
2.3.5 弹性膜应力分布有限元法计算结果
2.4 压力传感器三维有限元法应力计算简介
2.4.1 单元的选择与形变自由度
2.4.2 用结点位移表示单元中任何一点位移
2.4.3 单元刚度矩阵
2.4.4 总体刚度方程
2.4.5 计算结果
2.5 高温压力传感器热模拟
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作为绝缘层时的比较
2.5.3 散热层不同厚度时衬底温度的比较
2.5.4 散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较
2.6 受径向力圆环中正应力的周向分布规律及其应力计算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推导正应力的周向分布规律
2.6.3 力的平衡条件
2.6.4 利用力矩平衡条件决定A值
2.6.5 计算结果
2.7 MEMS单晶元件各向异性正应变的计算
2.7.1 概述
2.7.2 在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量
2.7.3 正应力作用下晶面正应变机理
2.7.4 不同晶向正应变与正应力间的关系
3 硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工
3.1 概况
3.2 湿化学腐蚀
3.2.1 电化学腐蚀机理
3.2.2 影响腐蚀速率的因素
3.2.3 阳极腐蚀法
3.2.4 凸角腐蚀及其补偿
3.2.5 无掩膜KOH腐蚀技术
3.2.6 各向异性腐蚀过程计算机模拟
3.2.7 腐蚀过程的几何分析
3.2.8 二维腐蚀过程计算机模拟
3.2.9 三维腐蚀过程计算机模拟
3.3 微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺
3.3.1 常用腐蚀液及其特性
3.3.2 硅杯压力腔口掩膜尺寸设计
3.3.3 适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构
3.3.4 KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术
3.3.5 各向异性腐蚀设备
3.3.6 简易双面对准技术
3.4 表面微机械加工——牺牲层技术
3.5 等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用
3.6 微细电化学加工技术
3.6.1 微细电铸
3.6.2 微细电解加工
4 MEMS系统的封装
4.1 MEMS系统的封装意义及要求
4.1.1 封装的作用与意义
4.1.2 MEMS封装设计中需要考虑的重要问题
4.1.3 封装结构及封装材料
4.1.4 接口问题
4.1.5 封装外壳设计
4.1.6 热设计
4.1.7 封装过程引起的可靠性问题
4.1.8 封装成本
4.2 焊球栅阵列倒装芯片封装技术
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏结
4.3.2 共晶键合
4.3.3 阳极键合
4.3.4 冷焊
4.3.5 钎焊
4.3.6 硅-硅直接键合
4.3.7 玻璃密封
4.4 硅片与硅片低温直接键合
4.4.1 各种硅-硅直接键合法
4.4.2 硅-硅酸钠-硅低温直接键合过程
4.4.3 影响键合质量的因素
4.4.4 质量检测方法
4.5 封接材料的性质
5 微电子机械元件的引线
5.1 MEMS元件的引线键合
5.1.1 引线的作用
5.1.2 对键合引线材料的要求
5.1.3 MEMS元件中应用的引线键合工艺
5.2 MEMS系统压力传感器的引线键合工艺
5.2.1 超声键合设备
5.3 引线的可靠性与可键合性
5.3.1 材料间键合接触时的冶金学效应
5.3.2 各种材料的键合接触
5.4 压力传感器的键合工艺及效果
5.4.1 芯片电路及引线
5.4.2 压力传感器键合工艺步骤
6 MEMS元件的制作
6.1 硅膜电容型压力传感器
6.1.1 电容变化量与流体压力的关系
6.1.2 测定方法
6.2 压电型压力传感器
6.2.1 压电材料和压电效应
6.2.2 压电方程与压电系数
6.2.3 表面电荷的计算
6.2.4 压电型压力传感器的电荷测量
6.2.5 压电型压力传感器的结构及其特点
6.3 MEMS微型阀和微型泵的制作
6.3.1 微型阀
6.3.2 微型泵
6.4 基于压电原理的MEMS微驱动器
6.4.1 压电纳米驱动器
6.4.2 压电喷墨头
6.5 气体传感器阵列中微加热器的制作
6.5.1 利用扩散电阻作加热器
6.5.2 微型热板式加热器（MHP）
6.5.3 绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器
6.6 微型燃烧器的制作
参考文献

作者介绍

---

文摘

---

序言

---

超越硅谷：微纳世界的精密制造与创新未来 一、 开启微观世界的钥匙：MEMS技术概述 想象一下，我们能够将原本庞大笨重的机械装置，精巧地“缩小”到比发丝还要细微的尺度，并且在同一块硅片上集成成千上万甚至数百万个功能各异的微型组件。这并非科幻小说中的情节，而是微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术正在实现的现实。MEMS，顾名思义，是将微电子技术与机械加工技术相结合，制造出尺寸介于微米（10^-6米）到纳米（10^-9米）量级的微型器件和系统。这些器件能够感知、控制、驱动，甚至与物理世界进行交互，为我们打开了一个充满无限可能性的微观世界。 MEMS技术的出现，标志着我们对物质世界的操控能力进入了一个全新的维度。它不仅仅是简单地将现有宏观器件微缩，而是利用半导体工业成熟的批量制造工艺，以及全新的设计理念和材料科学，来创造出前所未有的功能和性能。与传统的机械制造相比，MEMS技术具有无可比拟的优势：极高的集成度，能够实现复杂功能的“芯片化”；极低的功耗，为便携式和无线设备提供了可能；极高的精度，使得对微小信号的灵敏感知成为现实；以及极低的成本，得益于半导体晶圆厂的大规模生产能力，使得MEMS器件能够广泛应用于各种消费电子产品和工业领域。 二、 铸造微纳之魂：MEMS制造工艺的精髓 MEMS的制造，是一场发生在微观尺度的精密“雕刻”艺术。其核心在于如何以极高的精度和效率，在硅片或其他基材上“长出”或“去除”出所需的微观结构。这一过程涉及一系列复杂的化学、物理和工程技术，并根据不同的器件结构和功能，可以选择不同的制造路径。 1. 工艺流程的基石：晶圆处理与表面微加工 MEMS的制造通常始于一块高纯度的硅晶圆，这是电子工业的基石。在此基础上，通过“体硅加工”（Bulk Micromachining）和“表面微加工”（Surface Micromachining）这两种主要的微纳加工技术，来构建微型器件。 体硅加工：这种技术主要通过对硅体进行选择性腐蚀来形成三维结构。工艺流程一般包括： 薄膜沉积：在硅片表面沉积一层或多层功能薄膜，如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、金属等，这些薄膜可以作为掩模、绝缘层、导电层或功能层。 光刻：利用光刻胶和紫外光，将预先设计好的器件图形转移到硅片表面。光刻是MEMS制造中最关键的图形化步骤，决定了器件的精度和分辨率。 刻蚀：根据光刻形成的图形，利用化学方法（湿法刻蚀）或物理方法（干法刻蚀，如等离子体刻蚀）选择性地去除不需要的硅材料，从而形成凹槽、深孔等三维结构。例如，通过各向异性湿法刻蚀，可以在硅的特定晶面形成倾斜的壁，从而制造出复杂的腔体结构。 去除掩模：最后，去除在刻蚀过程中作为保护层的掩模材料。 表面微加工：这种技术则是在硅片表面构建多层薄膜结构，并通过牺牲层的溶解来形成悬浮或移动的微型部件。其工艺流程通常包括： 沉积牺牲层：首先在硅片上沉积一层易于溶解的牺牲层材料，如二氧化硅或氮化硅。 沉积结构层：然后在牺牲层上沉积用于构建器件的材料层，如多晶硅（Polysilicon）、氮化硅或金属。 光刻与刻蚀：通过光刻和刻蚀，在结构层上形成所需的图案。 去除牺牲层：最后，通过化学方法将牺牲层选择性地溶解去除，从而释放出预先设计好的微型机械结构，这些结构可以悬浮在空气中，或固定在基底上。 2. 突破创新的疆界：先进制造技术 除了上述基础工艺，MEMS制造还不断发展出各种先进技术，以应对更复杂、更精密的器件需求： 深硅刻蚀（Deep Silicon Etching, DSE）：如Bosch工艺，能够制造出高深宽比的垂直或倾斜侧壁结构，是制造微型齿轮、弹簧、泵等复杂机构的关键。 LIGA工艺：由德语“Lithographie, Galvanoformung, Abformung”缩写而来，是一种集成了X射线光刻、电铸成型和注塑成型的复杂工艺，可以制造出高深宽比、高精度、各种材料的微型部件。 3D打印技术：近年来，微纳3D打印技术也逐渐应用于MEMS制造，能够实现更自由的结构设计和材料组合，为复杂功能器件的开发提供了新的途径。 晶圆键合（Wafer Bonding）：用于将多个晶圆或晶圆与玻璃、陶瓷等基材键合在一起，实现多层结构器件的集成，或实现器件的封装。 三、 智慧的触角：MEMS器件的应用领域 MEMS技术并非孤立的技术，而是以其独特的感知、驱动和控制能力，深刻地改变着我们生活的方方面面，成为“万物互联”时代不可或缺的“智慧触角”。 1. 感知世界的眼睛与耳朵：微型传感器 MEMS传感器是MEMS技术最成熟、应用最广泛的领域之一。它们能够将物理世界的信息转化为电信号，实现对环境的精确感知。 惯性传感器：如加速度计和陀螺仪，它们能够测量运动状态，广泛应用于智能手机、平板电脑的屏幕方向调节、游戏控制、导航系统、汽车安全气囊的触发、无人机的姿态稳定等。 压力传感器：测量气压和液压，用于胎压监测系统（TPMS）、高度计、医疗设备（如血压计、呼吸机）、工业自动化中的压力控制等。 微麦克风：尺寸小巧、功耗低，已成为智能手机、耳机、智能音箱等消费电子设备的主流麦克风。 光学传感器：如CMOS图像传感器，是数码相机、手机摄像头、安防监控设备的核心部件。 生物传感器：用于检测血液中的葡萄糖、pH值，或进行疾病诊断，在医疗健康领域有着巨大的潜力。 射频MEMS（RF MEMS）：用于无线通信，可以制造出性能优越的开关、滤波器、调谐器等，提升通信设备的效率和性能。 2. 驱动未来的动力：微型执行器 MEMS执行器则能够将电信号转化为机械运动，实现对微观世界的精确控制。 微电机（Micro Motors）：用于驱动微型泵、微型阀门，在微流控芯片、药物输送系统、微机器人等领域有广泛应用。 微驱动器：如基于静电力、压电效应、热膨胀效应的微型驱动器，可以用于控制光学器件的偏转、微型镜头的聚焦，以及精密仪器的定位。 微阀门和微泵：在微流控芯片中，用于精确控制液体或气体的流动，实现化学分析、生物合成等过程。 微显示器：如数字光处理器（DLP）中的微镜阵列，是投影仪和高端显示设备的核心技术。 3. 智能系统的神经中枢：MEMS系统集成 MEMS的真正价值在于其系统集成能力。将多个MEMS器件与微处理器、信号处理电路等集成在一起，可以构成功能强大的智能系统。 智能手机与可穿戴设备：集成了加速度计、陀螺仪、麦克风、压力传感器等，赋予了设备感知环境、响应用户交互的能力。 汽车电子：集成压力传感器、惯性传感器、微执行器等，提高了汽车的安全性和智能化水平。 医疗器械：微型化的医疗传感器和执行器，使得微创手术、远程监测、个性化治疗成为可能。 物联网（IoT）设备：MEMS传感器是连接物理世界与数字世界的关键节点，使得智能家居、智慧城市、工业自动化等应用得以实现。 航空航天与国防：高可靠性的MEMS传感器在导航、制导、侦测等领域发挥着至关重要的作用。 四、 塑造明日的愿景：MEMS技术的未来发展趋势 MEMS技术仍在飞速发展，其未来充满着无限的机遇与挑战。 更高精度与更小尺寸：随着制造工艺的不断进步，MEMS器件的尺寸将进一步缩小，精度也将达到前所未有的水平，这将为更多颠覆性应用铺平道路。 新材料的应用：除了传统的硅材料，氮化鎵（GaN）、氧化锌（ZnO）等新型半导体材料，以及压电材料、磁致伸缩材料等，将在MEMS器件中发挥越来越重要的作用，带来更高的性能和更丰富的功能。 生物MEMS（BioMEMS）与医疗应用：将MEMS技术与生物学、医学相结合，将是未来发展的重要方向。微型化的诊断设备、药物递送系统、细胞操控工具等，将深刻改变医疗健康的面貌。 AI与MEMS的融合：将人工智能算法嵌入MEMS器件，赋予其更强的自主学习和决策能力，实现更智能化的感知和控制。 能源采集与无线供电：开发能够从环境中采集能量的MEMS器件，为低功耗的MEMS传感器提供持续动力，是实现真正独立的物联网节点的重要一步。 柔性与可穿戴MEMS：将MEMS技术集成到柔性基底上，使其能够弯曲、拉伸，并与人体舒适贴合，将为可穿戴设备和新型人机交互界面带来革命性的变化。 MEMS技术，作为连接宏观世界与微观世界的桥梁，正以其强大的创新能力，不断重塑着我们的科技格局和生活方式。从智能手机中的小小传感器，到未来可能出现的微型机器人医生，MEMS技术的影响力将持续延伸，引领我们走向一个更加智能、便捷、高效的未来。

评分☆☆☆☆☆

这本书对前沿动态的把握真是太到位了，它绝不仅仅是一本停留在基础理论上的“老旧”教材，更像是一份与时俱进的技术路线图。在探讨传统工艺的同时，书中花费了大量篇幅来介绍近年来取得突破性的新型材料应用、先进的光刻技术迭代，以及面向下一代传感和执行器的最新设计理念。特别是关于特定器件的案例分析部分，选取的新鲜度和代表性都非常高，直接反映了当前工业界和学术界的热点方向。通过这些案例，我能直观地感受到理论是如何转化为实际产品，以及未来技术发展的潜力所在。这使得这本书的价值远远超出了基础参考书的范畴，它更像是一份指导未来研发方向的战略参考手册，能激发读者对未来技术创新的深度思考。

评分☆☆☆☆☆

这本书的印刷质量简直让人耳目一新，纸张的厚度适中，拿在手里沉甸甸的，丝毫没有廉价感。装帧设计也相当讲究，封面采用了哑光处理，触感细腻，配合着恰到好处的烫金字体，透露出一种专业而又不失优雅的气质。尤其值得称赞的是内页的排版，字号大小设置得非常合理，行距和段落间距也把握得恰到好处，即便是长时间阅读也不会感到视觉疲劳。更让我惊喜的是，书中插图和公式的清晰度极高，线条锐利，灰度过渡自然，对于理解复杂的微观结构和电路图来说，简直是事半功倍。清晰的图文配合，让那些原本抽象的概念变得具体、直观，这一点对于自学者和初涉该领域的研究者来说，无疑是巨大的福音。这种对细节的极致追求，让人觉得作者和出版社对知识的尊重，也体现了他们对读者体验的重视，绝对是值得收藏的实体书。

评分☆☆☆☆☆

作为一本技术专著，这本书在案例分析的实用性和深度上做到了极高的水准。它没有停留在理论推导的纸上谈兵，而是提供了大量来源于实际工程问题的分析和解决方案。每一个关键工艺步骤，几乎都配有详细的参数设置、潜在的缺陷分析以及相应的优化策略。这些案例的编写非常扎实，充满了“实战经验”，读起来让人感觉不是在看理论推导，而是在跟随工程师解决实际生产线上的难题。特别是对误差源的讨论，细致入微，把很多初学者容易忽略的细节都一一剖析清楚，这对于我今后进行实验设计和工艺控制，无疑具有极高的指导价值。这种高度的工程实践性，是衡量一本技术书籍是否真正“有用”的关键指标，而这本书无疑在这方面表现出色。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容组织结构简直是教科书级别的典范，逻辑推导严谨得像瑞士钟表一样精确。它不是简单地堆砌知识点，而是采用了层层递进的方式，从最基础的物理原理和材料特性讲起，逐步过渡到复杂的制造工艺和系统集成。每一章节的衔接都非常自然，知识点之间的内在联系被挖掘得淋漓尽致，让人在阅读过程中能清晰地勾勒出整个技术体系的脉络。特别是在介绍那些关键的理论模型时，作者似乎总能找到最精妙的比喻和最简洁的数学表达，使得那些原本高深莫测的物理现象变得可以被理解和掌握。读完一个章节，你不会觉得知识点散落一地，而是感觉自己构建了一个坚实而完整的知识框架，为后续更深入的学习打下了极其牢固的基础，这种结构上的精妙，是很多同类书籍难以企及的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格真是令人印象深刻，它成功地在学术的严谨性和科普的易懂性之间找到了一个完美的平衡点。作者的叙述既有深厚的学术功底支撑，确保了术语的准确无误和论证的无懈可击，但同时又避免了过度使用晦涩难懂的行话和故作高深的表达。读起来感觉就像是有一位经验丰富、耐心十足的导师在耳边为你细致讲解，他总能预料到你在哪个环节可能会产生困惑，并提前给出清晰的解释和旁注。对于我这样需要跨学科背景的读者来说，这种平易近人的叙述方式极大地降低了学习曲线的陡峭程度。它没有将读者视为已经掌握了所有背景知识的专家，而是以一种鼓励和引导的姿态，陪伴读者一步步探索复杂的技术世界，这种“亲切感”在专业书籍中实属难得。