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：29729155417

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

售價：17.7元,便宜8.3元,摺扣68

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

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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，有一定的經驗和收獲。

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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超越矽榖：微納世界的精密製造與創新未來 一、 開啓微觀世界的鑰匙：MEMS技術概述 想象一下，我們能夠將原本龐大笨重的機械裝置，精巧地“縮小”到比發絲還要細微的尺度，並且在同一塊矽片上集成成韆上萬甚至數百萬個功能各異的微型組件。這並非科幻小說中的情節，而是微電子機械係統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技術正在實現的現實。MEMS，顧名思義，是將微電子技術與機械加工技術相結閤，製造齣尺寸介於微米（10^-6米）到納米（10^-9米）量級的微型器件和係統。這些器件能夠感知、控製、驅動，甚至與物理世界進行交互，為我們打開瞭一個充滿無限可能性的微觀世界。 MEMS技術的齣現，標誌著我們對物質世界的操控能力進入瞭一個全新的維度。它不僅僅是簡單地將現有宏觀器件微縮，而是利用半導體工業成熟的批量製造工藝，以及全新的設計理念和材料科學，來創造齣前所未有的功能和性能。與傳統的機械製造相比，MEMS技術具有無可比擬的優勢：極高的集成度，能夠實現復雜功能的“芯片化”；極低的功耗，為便攜式和無綫設備提供瞭可能；極高的精度，使得對微小信號的靈敏感知成為現實；以及極低的成本，得益於半導體晶圓廠的大規模生産能力，使得MEMS器件能夠廣泛應用於各種消費電子産品和工業領域。 二、 鑄造微納之魂：MEMS製造工藝的精髓 MEMS的製造，是一場發生在微觀尺度的精密“雕刻”藝術。其核心在於如何以極高的精度和效率，在矽片或其他基材上“長齣”或“去除”齣所需的微觀結構。這一過程涉及一係列復雜的化學、物理和工程技術，並根據不同的器件結構和功能，可以選擇不同的製造路徑。 1. 工藝流程的基石：晶圓處理與錶麵微加工 MEMS的製造通常始於一塊高純度的矽晶圓，這是電子工業的基石。在此基礎上，通過“體矽加工”（Bulk Micromachining）和“錶麵微加工”（Surface Micromachining）這兩種主要的微納加工技術，來構建微型器件。 體矽加工：這種技術主要通過對矽體進行選擇性腐蝕來形成三維結構。工藝流程一般包括： 薄膜沉積：在矽片錶麵沉積一層或多層功能薄膜，如二氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）、金屬等，這些薄膜可以作為掩模、絕緣層、導電層或功能層。 光刻：利用光刻膠和紫外光，將預先設計好的器件圖形轉移到矽片錶麵。光刻是MEMS製造中最關鍵的圖形化步驟，決定瞭器件的精度和分辨率。 刻蝕：根據光刻形成的圖形，利用化學方法（濕法刻蝕）或物理方法（乾法刻蝕，如等離子體刻蝕）選擇性地去除不需要的矽材料，從而形成凹槽、深孔等三維結構。例如，通過各嚮異性濕法刻蝕，可以在矽的特定晶麵形成傾斜的壁，從而製造齣復雜的腔體結構。 去除掩模：最後，去除在刻蝕過程中作為保護層的掩模材料。 錶麵微加工：這種技術則是在矽片錶麵構建多層薄膜結構，並通過犧牲層的溶解來形成懸浮或移動的微型部件。其工藝流程通常包括： 沉積犧牲層：首先在矽片上沉積一層易於溶解的犧牲層材料，如二氧化矽或氮化矽。 沉積結構層：然後在犧牲層上沉積用於構建器件的材料層，如多晶矽（Polysilicon）、氮化矽或金屬。 光刻與刻蝕：通過光刻和刻蝕，在結構層上形成所需的圖案。 去除犧牲層：最後，通過化學方法將犧牲層選擇性地溶解去除，從而釋放齣預先設計好的微型機械結構，這些結構可以懸浮在空氣中，或固定在基底上。 2. 突破創新的疆界：先進製造技術 除瞭上述基礎工藝，MEMS製造還不斷發展齣各種先進技術，以應對更復雜、更精密的器件需求： 深矽刻蝕（Deep Silicon Etching, DSE）：如Bosch工藝，能夠製造齣高深寬比的垂直或傾斜側壁結構，是製造微型齒輪、彈簧、泵等復雜機構的關鍵。 LIGA工藝：由德語“Lithographie, Galvanoformung, Abformung”縮寫而來，是一種集成瞭X射綫光刻、電鑄成型和注塑成型的復雜工藝，可以製造齣高深寬比、高精度、各種材料的微型部件。 3D打印技術：近年來，微納3D打印技術也逐漸應用於MEMS製造，能夠實現更自由的結構設計和材料組閤，為復雜功能器件的開發提供瞭新的途徑。 晶圓鍵閤（Wafer Bonding）：用於將多個晶圓或晶圓與玻璃、陶瓷等基材鍵閤在一起，實現多層結構器件的集成，或實現器件的封裝。 三、 智慧的觸角：MEMS器件的應用領域 MEMS技術並非孤立的技術，而是以其獨特的感知、驅動和控製能力，深刻地改變著我們生活的方方麵麵，成為“萬物互聯”時代不可或缺的“智慧觸角”。 1. 感知世界的眼睛與耳朵：微型傳感器 MEMS傳感器是MEMS技術最成熟、應用最廣泛的領域之一。它們能夠將物理世界的信息轉化為電信號，實現對環境的精確感知。 慣性傳感器：如加速度計和陀螺儀，它們能夠測量運動狀態，廣泛應用於智能手機、平闆電腦的屏幕方嚮調節、遊戲控製、導航係統、汽車安全氣囊的觸發、無人機的姿態穩定等。 壓力傳感器：測量氣壓和液壓，用於胎壓監測係統（TPMS）、高度計、醫療設備（如血壓計、呼吸機）、工業自動化中的壓力控製等。 微麥剋風：尺寸小巧、功耗低，已成為智能手機、耳機、智能音箱等消費電子設備的主流麥剋風。 光學傳感器：如CMOS圖像傳感器，是數碼相機、手機攝像頭、安防監控設備的核心部件。 生物傳感器：用於檢測血液中的葡萄糖、pH值，或進行疾病診斷，在醫療健康領域有著巨大的潛力。 射頻MEMS（RF MEMS）：用於無綫通信，可以製造齣性能優越的開關、濾波器、調諧器等，提升通信設備的效率和性能。 2. 驅動未來的動力：微型執行器 MEMS執行器則能夠將電信號轉化為機械運動，實現對微觀世界的精確控製。 微電機（Micro Motors）：用於驅動微型泵、微型閥門，在微流控芯片、藥物輸送係統、微機器人等領域有廣泛應用。 微驅動器：如基於靜電力、壓電效應、熱膨脹效應的微型驅動器，可以用於控製光學器件的偏轉、微型鏡頭的聚焦，以及精密儀器的定位。 微閥門和微泵：在微流控芯片中，用於精確控製液體或氣體的流動，實現化學分析、生物閤成等過程。 微顯示器：如數字光處理器（DLP）中的微鏡陣列，是投影儀和高端顯示設備的核心技術。 3. 智能係統的神經中樞：MEMS係統集成 MEMS的真正價值在於其係統集成能力。將多個MEMS器件與微處理器、信號處理電路等集成在一起，可以構成功能強大的智能係統。 智能手機與可穿戴設備：集成瞭加速度計、陀螺儀、麥剋風、壓力傳感器等，賦予瞭設備感知環境、響應用戶交互的能力。 汽車電子：集成壓力傳感器、慣性傳感器、微執行器等，提高瞭汽車的安全性和智能化水平。 醫療器械：微型化的醫療傳感器和執行器，使得微創手術、遠程監測、個性化治療成為可能。 物聯網（IoT）設備：MEMS傳感器是連接物理世界與數字世界的關鍵節點，使得智能傢居、智慧城市、工業自動化等應用得以實現。 航空航天與國防：高可靠性的MEMS傳感器在導航、製導、偵測等領域發揮著至關重要的作用。 四、 塑造明日的願景：MEMS技術的未來發展趨勢 MEMS技術仍在飛速發展，其未來充滿著無限的機遇與挑戰。 更高精度與更小尺寸：隨著製造工藝的不斷進步，MEMS器件的尺寸將進一步縮小，精度也將達到前所未有的水平，這將為更多顛覆性應用鋪平道路。 新材料的應用：除瞭傳統的矽材料，氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等新型半導體材料，以及壓電材料、磁緻伸縮材料等，將在MEMS器件中發揮越來越重要的作用，帶來更高的性能和更豐富的功能。 生物MEMS（BioMEMS）與醫療應用：將MEMS技術與生物學、醫學相結閤，將是未來發展的重要方嚮。微型化的診斷設備、藥物遞送係統、細胞操控工具等，將深刻改變醫療健康的麵貌。 AI與MEMS的融閤：將人工智能算法嵌入MEMS器件，賦予其更強的自主學習和決策能力，實現更智能化的感知和控製。 能源采集與無綫供電：開發能夠從環境中采集能量的MEMS器件，為低功耗的MEMS傳感器提供持續動力，是實現真正獨立的物聯網節點的重要一步。 柔性與可穿戴MEMS：將MEMS技術集成到柔性基底上，使其能夠彎麯、拉伸，並與人體舒適貼閤，將為可穿戴設備和新型人機交互界麵帶來革命性的變化。 MEMS技術，作為連接宏觀世界與微觀世界的橋梁，正以其強大的創新能力，不斷重塑著我們的科技格局和生活方式。從智能手機中的小小傳感器，到未來可能齣現的微型機器人醫生，MEMS技術的影響力將持續延伸，引領我們走嚮一個更加智能、便捷、高效的未來。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容組織結構簡直是教科書級彆的典範，邏輯推導嚴謹得像瑞士鍾錶一樣精確。它不是簡單地堆砌知識點，而是采用瞭層層遞進的方式，從最基礎的物理原理和材料特性講起，逐步過渡到復雜的製造工藝和係統集成。每一章節的銜接都非常自然，知識點之間的內在聯係被挖掘得淋灕盡緻，讓人在閱讀過程中能清晰地勾勒齣整個技術體係的脈絡。特彆是在介紹那些關鍵的理論模型時，作者似乎總能找到最精妙的比喻和最簡潔的數學錶達，使得那些原本高深莫測的物理現象變得可以被理解和掌握。讀完一個章節，你不會覺得知識點散落一地，而是感覺自己構建瞭一個堅實而完整的知識框架，為後續更深入的學習打下瞭極其牢固的基礎，這種結構上的精妙，是很多同類書籍難以企及的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的印刷質量簡直讓人耳目一新，紙張的厚度適中，拿在手裏沉甸甸的，絲毫沒有廉價感。裝幀設計也相當講究，封麵采用瞭啞光處理，觸感細膩，配閤著恰到好處的燙金字體，透露齣一種專業而又不失優雅的氣質。尤其值得稱贊的是內頁的排版，字號大小設置得非常閤理，行距和段落間距也把握得恰到好處，即便是長時間閱讀也不會感到視覺疲勞。更讓我驚喜的是，書中插圖和公式的清晰度極高，綫條銳利，灰度過渡自然，對於理解復雜的微觀結構和電路圖來說，簡直是事半功倍。清晰的圖文配閤，讓那些原本抽象的概念變得具體、直觀，這一點對於自學者和初涉該領域的研究者來說，無疑是巨大的福音。這種對細節的極緻追求，讓人覺得作者和齣版社對知識的尊重，也體現瞭他們對讀者體驗的重視，絕對是值得收藏的實體書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格真是令人印象深刻，它成功地在學術的嚴謹性和科普的易懂性之間找到瞭一個完美的平衡點。作者的敘述既有深厚的學術功底支撐，確保瞭術語的準確無誤和論證的無懈可擊，但同時又避免瞭過度使用晦澀難懂的行話和故作高深的錶達。讀起來感覺就像是有一位經驗豐富、耐心十足的導師在耳邊為你細緻講解，他總能預料到你在哪個環節可能會産生睏惑，並提前給齣清晰的解釋和旁注。對於我這樣需要跨學科背景的讀者來說，這種平易近人的敘述方式極大地降低瞭學習麯綫的陡峭程度。它沒有將讀者視為已經掌握瞭所有背景知識的專傢，而是以一種鼓勵和引導的姿態，陪伴讀者一步步探索復雜的技術世界，這種“親切感”在專業書籍中實屬難得。

評分☆☆☆☆☆

這本書對前沿動態的把握真是太到位瞭，它絕不僅僅是一本停留在基礎理論上的“老舊”教材，更像是一份與時俱進的技術路綫圖。在探討傳統工藝的同時，書中花費瞭大量篇幅來介紹近年來取得突破性的新型材料應用、先進的光刻技術迭代，以及麵嚮下一代傳感和執行器的最新設計理念。特彆是關於特定器件的案例分析部分，選取的新鮮度和代錶性都非常高，直接反映瞭當前工業界和學術界的熱點方嚮。通過這些案例，我能直觀地感受到理論是如何轉化為實際産品，以及未來技術發展的潛力所在。這使得這本書的價值遠遠超齣瞭基礎參考書的範疇，它更像是一份指導未來研發方嚮的戰略參考手冊，能激發讀者對未來技術創新的深度思考。

評分☆☆☆☆☆

作為一本技術專著，這本書在案例分析的實用性和深度上做到瞭極高的水準。它沒有停留在理論推導的紙上談兵，而是提供瞭大量來源於實際工程問題的分析和解決方案。每一個關鍵工藝步驟，幾乎都配有詳細的參數設置、潛在的缺陷分析以及相應的優化策略。這些案例的編寫非常紮實，充滿瞭“實戰經驗”，讀起來讓人感覺不是在看理論推導，而是在跟隨工程師解決實際生産綫上的難題。特彆是對誤差源的討論，細緻入微，把很多初學者容易忽略的細節都一一剖析清楚，這對於我今後進行實驗設計和工藝控製，無疑具有極高的指導價值。這種高度的工程實踐性，是衡量一本技術書籍是否真正“有用”的關鍵指標，而這本書無疑在這方麵錶現齣色。