用于恶劣环境的碳化硅微机电系统 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
• 可靠性
• 材料科学
• 半导体
• 高温
• 耐腐蚀

店铺： 博学精华图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030268624

商品编码：29729411982

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

售价：24.5元,便宜10.5元,折扣70

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

内容提要

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

作者介绍

文摘

序言

《微纳世界中的坚韧之选：特种材料在微机械系统中的创新应用》 在现代科技飞速发展的浪潮中，微机电系统（MEMS）以其独特的微小尺寸、集成化和智能化特点，渗透到我们生活的方方面面，从智能手机的传感器到先进的医疗设备，再到航空航天领域的精密仪器。然而，MEMS技术的广泛应用并非一帆风顺。当面临高温、高压、腐蚀性介质、强辐射等严苛的工作环境时，传统的硅基MEMS材料常常显得力不从心，其性能衰减甚至失效，严重制约了相关技术在极端条件下的部署和发展。 《微纳世界中的坚韧之选：特种材料在微机械系统中的创新应用》一书，正是一部深入探讨如何突破这一瓶颈，为MEMS技术注入“坚韧之魂”的专题著作。本书并非局限于某一特定材料或某一类应用，而是以广阔的视野，聚焦于那些能够在恶劣环境中展现出卓越性能的特种材料，并深入剖析其在微机械系统中的设计、制造、表征及其在各尖端领域的创新应用。 全书内容围绕着“材料的韧性”与“微系统的性能”这一核心命题展开，层层递进，逻辑清晰。 第一部分：极端环境下的挑战与材料科学的视角 本部分首先为读者构建了一个关于MEMS技术所面临的严峻挑战的宏观图景。我们将详细阐述在高温、高压、化学腐蚀、辐射损伤、机械冲击等典型恶劣环境下，传统硅基MEMS材料所遭遇的物理化学机制上的失效原因。例如，在高温环境下，硅的氧化速率急剧增加，形成 SiO2 层，这不仅改变了材料的电学和力学性能，还可能导致器件的结构破坏；在高压下，材料的塑性形变和断裂强度成为关键考量；在腐蚀性环境中，溶解、氧化、电化学腐蚀等过程对材料结构的完整性构成威胁；而强辐射则可能引起材料的缺陷生成、原子移位，从而改变其导电性、绝缘性、甚至光学特性。 在分析了挑战之后，本书将视角转向材料科学，从微观层面深入探讨了构成MEMS器件的基材、功能层以及封装材料的关键性能指标。我们将介绍几种在极端环境下表现出优异稳定性的候选材料体系，并从原子结构、晶体学、热力学、动力学等角度，解释其内在的优势。例如，某些具有高熔点、低热膨胀系数的陶瓷材料，其原子键合牢固，能够承受极高的温度而不发生显著的相变或分解。某些具有优异化学惰性的材料，则能够抵抗强酸、强碱、有机溶剂等腐蚀性介质的侵蚀。本书还将强调，材料的选择不仅仅是基于其单一的优异性能，更重要的是其在多种恶劣因素协同作用下的综合稳定性。 第二部分：先进特种材料的微纳加工与集成技术 在理解了极端环境的挑战和特种材料的潜质后，本书的第二部分将重点转向实现这些材料在微观尺度上进行精密加工和有效集成的关键技术。这一部分的内容将是本书的核心技术支撑，它将详细介绍如何将宏观世界中性能卓越的特种材料，转化为能够构建复杂微机械系统的微纳结构。 我们将深入探讨各种适用于特种材料的微加工技术，包括但不限于： 先进的光刻与蚀刻技术： 针对不同材料（如氮化硅、氧化铝、金刚石、碳化物等）的光刻胶选择、曝光工艺优化、以及干法和湿法蚀刻的机理、工艺参数控制、选择性、以及对深宽比和侧壁形貌的影响。尤其会关注那些对传统硅加工工艺有特殊要求的材料，如硬质材料的精密加工。 薄膜沉积与生长技术： 详细介绍物理气相沉积（PVD）如溅射、蒸发，化学气相沉积（CVD）及其变种（如等离子体增强CVD, PECVD），以及原子层沉积（ALD）等技术，在制备高质量、均匀、致密的特种材料薄膜方面的应用。我们会重点讨论如何通过控制工艺参数，优化薄膜的晶体结构、应力、纯度以及与基底的附着力，以满足MEMS器件的性能需求。 3D微制造技术： 介绍立体光刻（SLA）、双光子聚合（TPP）、以及定向固化等技术在构建复杂三维微结构中的应用，以及如何利用这些技术结合特种材料，实现更为先进和功能化的MEMS设计。 微键合与封装技术： 针对特种材料的特性，讨论适用的微键合方法，如阳极键合、共晶键合、金属扩散键合等，以及如何实现高温、高压、腐蚀性环境下的可靠密封。这将是保证MEMS器件在恶劣环境下长期稳定工作的关键。 此外，本书还将关注多材料异质集成问题，即如何在同一微器件中有效地结合不同种类的特种材料，以实现功能互补和性能最大化。我们将探讨界面工程、应力管理以及热失配等关键问题，并介绍相应的解决方案。 第三部分：特种材料MEMS在极端应用中的前沿探索 在掌握了特种材料的加工和集成技术之后，本书的第三部分将聚焦于这些“坚韧”的MEMS器件在最具挑战性的应用领域中的实际表现和未来潜力。这一部分内容将充满前瞻性，旨在展示特种材料MEMS技术能够带来的颠覆性变革。 我们将重点介绍以下几个关键应用方向，并进行深入的案例分析： 航空航天与深空探测： 在太空真空、强宇宙射线、极端温度变化以及高过载等环境下，特种材料MEMS传感器（如高精度陀螺仪、加速度计、压力传感器）和执行器（如微型阀门、泵）的重要性不言而喻。本书将探讨这些器件如何克服空间环境的挑战，为星际探索、卫星导航、载人航天任务提供可靠支持。 能源勘探与生产： 在高温高压的油气井下、地热钻探等环境中，传统的电子设备和传感器极易失效。本书将介绍耐高温高压的MEMS传感器，用于监测井下压力、温度、流体成分等关键参数，从而提高勘探效率、保障生产安全。 工业过程控制与安全监测： 在炼化、化工、核电站等高温、强腐蚀、强辐射的环境中，用于过程监测和安全预警的MEMS器件面临严峻考验。本书将展示特种材料MEMS在这些领域中的应用，例如耐腐蚀的化学传感器、高温压力传感器、以及用于核环境监测的辐射传感器。 生物医学与微流控： 尽管生物环境通常不被视为“恶劣”环境，但某些特定的生物医学应用，如体腔内的高温、高压、腐蚀性体液环境，或是用于检测特定生物标记物的微流控芯片，也需要具备特殊材料的MEMS来确保其长期稳定性和生物相容性。本书将探讨相关的材料选择和设计考量。 下一代通信与计算： 随着信息技术的不断发展，对器件的性能和稳定性提出了更高要求，尤其是在极端条件下工作的通信和计算单元。本书将展望特种材料MEMS在这些领域的潜在应用，例如用于高温环境的射频器件或高性能滤波器。 在每个应用案例中，本书将不仅描述技术实现，更会深入分析材料选择、结构设计、性能测试以及实际应用中的挑战和解决方案。我们将邀请相关领域的专家学者，分享他们的研究成果和实践经验，为读者提供一个全面、深入的视角。 总结 《微纳世界中的坚韧之选：特种材料在微机械系统中的创新应用》一书，旨在为MEMS研究者、工程师、以及对前沿科技感兴趣的读者，提供一个系统、前沿、实用的知识框架。通过深入剖析特种材料的优势、加工制造的挑战、以及在极端环境下的创新应用，本书不仅揭示了MEMS技术突破极限的可能性，更指明了未来发展的重要方向。我们相信，随着特种材料在MEMS领域的不断深入研究和应用，微纳世界将变得更加坚韧，为人类科技进步和社会发展注入更强大的动力。

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这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》的问世，无疑为我们这些长期在极端条件下摸索前行的工程师们带来了一线曙光。我记得我们团队前段时间为了应对深空探测器上微型传感器的热稳定性和抗辐射性问题，简直是焦头烂额。传统的硅基MEMS在超过200摄氏度后性能就开始急剧下降，而且对高能粒子束的耐受性也令人堪忧。所以，当看到这本书的摘要中明确提到了SiC在高温、高压、强辐射环境下的独特优势时，我几乎是立刻就下单了。书中对碳化硅晶圆制备过程中的缺陷控制，特别是如何通过优化外延生长技术来提高器件的可靠性和一致性，进行了非常详尽的论述。我特别关注了其中关于压阻式传感器在1000K以上工作温度下的漂移补偿模型，那套基于物理化学耦合的半经验公式，为我们后续的建模工作指明了方向，比我们过去依赖的那些通用热力学模型要精确得多。这本书不仅仅是理论的堆砌，它更像是一本实战手册，对各种关键工艺步骤——比如深反应离子刻蚀（DRIE）的参数优化、金属化层的选择和钝化层的设计——都给出了基于实际案例的深入分析，读来让人感到踏实和振奋。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和插图质量也值得称赞，这对于理解复杂的微纳结构至关重要。很多技术书籍的图示往往模糊不清，让人需要花费大量时间去猜测结构细节。然而，在这本《用于恶劣环境的碳化硅微机电系统》中，几乎所有的扫描电镜（SEM）照片都锐利清晰，而且关键的应力分布图和能带结构示意图都采用了高质量的彩色渲染。我特别喜欢其中对“Piezoresistive Sensing Mechanism in Wide Bandgap Materials”的阐述部分，作者通过详尽的应变与能带弯曲的耦合图解，直观地展示了为何在高温下，SiC的载流子迁移率变化仍然能带来可预测的电阻变化。这种深入浅出的图文结合，极大地降低了理解高阶半导体物理的门槛。对于那些希望从传统硅基MEMS领域转型，但对SiC材料科学基础不够扎实的工程师或高年级学生来说，这本书不仅提供了知识，更提供了一种直观的、可视化的学习路径，绝对是物超所值的一笔投资。

评分☆☆☆☆☆

我是一位专注于微流控芯片和生物传感器集成的研究者，对于如何将MEMS技术集成到生物相容性更高的介质中一直非常头疼。这本书虽然主题是恶劣环境，但它关于碳化硅的表面处理和生物钝化技术的部分，却为我打开了全新的思路。特别是关于“类金刚石碳膜（DLC）在SiC表面作为超疏水屏障”的应用探讨，这在传统的半导体文献中鲜有提及。作者详细介绍了通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）实现高硬度、低摩擦系数的DLC涂层，这不仅能保护内部结构免受腐蚀性化学试剂的侵蚀，还能有效降低生物大分子在芯片表面的非特异性吸附。我过去一直依赖于PDMS封装，但PDMS在有机溶剂和长时间的温度梯度下稳定性太差。书中展示的SiC-on-SiC的结构稳定性，让我看到了开发真正可用于活体监测和长期化学分析的微型分析仪器的可能性。这本书的广度令人惊叹，它成功地将材料物理、微纳加工和特定应用场景（如石油天然气勘探、航空发动机状态监控）紧密地联系了起来。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我最初翻开这本书时，是抱着一种审慎的怀疑态度的。市面上关于“下一代半导体材料”的书籍汗牛充栋，但真正能深入到材料科学前沿并提供可落地解决方案的却凤毛麟角。然而，这本书的第三章关于SiC基体与功能层界面的热机械耦合效应的讨论，彻底颠覆了我的看法。作者并没有停留在宏观的器件性能描述上，而是深入到了原子尺度的相互作用。他们用先进的分子动力学模拟结果来解释为什么在剧烈的温度循环下，SiC/SiN/金属层之间的应力集中会导致早期失效，并提出了一套创新的应力梯度缓冲层设计。这种对失效机理的深刻洞察力，远超我预期的教材水平。更难得的是，书中对制造工艺流程的描述极其细致，几乎复现了一个完整的、符合工业标准的SiC-MEMS制造流片过程。从湿法清洗液的配方选择，到PECVD薄膜的应力控制，每一个环节的工艺窗口都被标注得清清楚楚，这对于我们正在尝试从研发转向小批量试产的团队来说，价值是无法估量的。

评分☆☆☆☆☆

从一个偏向系统工程和可靠性分析的角度来看，这本书提供了一个极为宝贵的数据集和评估框架。在对高可靠性系统进行设计时，最令人头疼的就是缺乏长期运行的统计学数据。这本书在最后几个章节，详细列举了不同批次、不同工艺条件下制造出的SiC-MEMS器件在加速老化测试中的寿命分布图和失效模式分析。它不仅仅是给出了MTTF（平均故障前时间）的数字，更重要的是，它展示了如何通过修改设计参数——比如通过增加梁的厚度或者改变应力集中点的几何形状——来系统性地提高寿命分布的尾部特性。我尤其欣赏作者在“不确定性量化”上下的功夫，他们使用了贝叶斯方法来处理小样本测试数据，这对于我们进行关键任务系统（如核反应堆内部传感器）的认证至关重要。这本书的数据严谨性，使得它超越了一般的科普读物，真正成为了一个可靠性工程师案头的必备参考书。