动态微机电系统——理论与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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何广平 著

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• 微机电系统
• MEMS
• 动态特性
• 建模与仿真
• 传感器
• 执行器
• 控制
• 理论分析
• 应用案例
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• 电子工程

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030343161

商品编码：29729523398

包装：平装

出版时间：2012-06-01

基本信息

书名：动态微机电系统——理论与应用

定价：80.00元

作者：何广平

出版社：科学出版社

出版日期：2012-06-01

ISBN：9787030343161

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.558kg

编辑推荐

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　　本书以动态MEMS为主要对象，从功能材料的制备、设计方法、制造工艺与失效模式分析、建模与控制方法以及系统应用的角度，较深入地介绍了当前外的一些主要研究成果。本书主要内容取材于作者所在课题组近年来的一些科研成果，同时也对动态MEMS所涵盖专业领域外的主流前沿技术进行系统归纳，使读者能在较短时间内对动态MEMS的主要技术领域和前沿研究方向有所了解，并从中选择自己感兴趣的主题进一步开展研究。本书内容安排力求深入浅出，引文详实丰富，适合作为初涉本领域的研究生教材，也可供具有研究基础的读者参考。

内容提要

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　　本书以动态微机电系统（MEMS）为主要对象，介绍其相关的功能材料、设计方法、制造工艺以及控制方法。全书共6章，主要内容包括：动态MEMS主要技术领域的简况；动态MEMS中常用的功能材料及其制备方法；动态MEMS器件的主要设计方法及其发展现状；动态MEMS的制造工艺，常见失效模式及其克服方法；动态MEMS的控制理论基础、控制技术及其发展现状、控制实验方法等方面的论述；典型动态MEMS系统剖析。《动态微机电系统》可供材料类、机电工程类、自动控制类、仪器科学类等相关专业的高年级本科生和研究生作为教材使用，也可供从事MEMS功能材料、MEMS器件设计、MEMS制造工艺和MEMS控制技术研究的科技人员参考。

目录

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前言章 绪论 1.1 引言 1.2 MEMS的基本特征和主要技术领域 1.3 动态MEMS中的常用材料 1.4 动态MEMS的设计方法简介 1.5 动态MEMS的制造技术简介 1.6 动态MEMS的控制技术及其发展概况 1.7 MEMS的应用前景 参考文献第2章 动态MEMS中的功能材料与制备方法 2.1 引言 2.2 动态MEMS压电材料 2.3 动态MEMS磁致伸缩材料 2.4 动态MEMS形状记忆合金材料 2.5 动态MEMS智能高分子材料 参考文献第3章 动态MEMS的设计理论与设计方法 3.1 引言 3.2 分布式全柔性微机构的拓扑优化设计方法 3.3 动态MEMS的可靠性设计方法 3.4 电热微致动器的鲁棒优化设计 3.5 可变电容静电微电机的优化设计 3.6 动态MEMS设计理论的发展展望 参考文献第4章 动态MEMS的制造技术 4.1 MEMS的制造技术简介 4.2 薄膜材料制备技术 4.3 光刻技术 4.4 刻蚀技术 4.5 键合工艺技术 4.6 MEMS制造中常见的失效模式与防止方法 参考文献第5章 动态MEMS的建模与控制技术 5.1 引言 5.2 典型动态MEMS的动力学模型 5.3 动态MEMS的非线性特征及其应用 5.4 动态MEMS控制技术的理论基础 5.5 动态MEMS的控制器设计 5.6 动态MEMS的控制技术实验方法 参考文献第6章 典型动态MEMS剖析 6.1 压电微致动器的电荷驱动控制 6.2 压电微电机 6.3 旋转式静电微致动器 6.4 PZT微致动器的制备 参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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动态微机电系统——理论与应用：一部深入探索微观世界运作奥秘与前沿技术的著作 引言 在科学技术日新月异的今天，微观世界的探索从未停止。曾经只存在于科幻小说中的微型设备，如今已悄然渗透到我们生活的方方面面，从精密仪器到智能手机，再到医疗诊断，微机电系统（MEMS）的身影无处不在。然而，MEMS的真正魅力远不止于此。当我们深入探究这些微小器件的“动态”行为时，一个充满活力、瞬息万变的微观宇宙便展现在眼前。《动态微机电系统——理论与应用》正是这样一部力求拨开迷雾，带领读者深入理解MEMS动态学原理，并将其转化为实际应用的书籍。它不仅是对MEMS技术发展历程的回顾，更是对未来创新可能性的前瞻性探索。 第一部分：动态微机电系统理论基础——揭示微观世界的运动规律 本书的基石在于对动态微机电系统理论的严谨阐述。首先，它将带领读者回顾经典力学在微观尺度下的适用性，特别是牛顿运动定律、虚功原理以及拉格朗日方程等在描述微小质量、微小位移和微小力的运动时所扮演的角色。不同于宏观世界的惯性主导，在微观尺度下，表面效应（如表面张力、范德华力）和流体粘滞力变得异常显著，因此，本书将专门辟章节详细剖析这些非保守力对MEMS动态行为的影响，并介绍相应的数学模型和分析方法。 接下来，本书将聚焦于微机电系统中常用的弹性材料和微结构的力学特性。读者将学习如何运用有限元分析（FEA）等数值计算方法，模拟微梁、微板、微悬臂梁等基本单元的振动模态、固有频率、阻尼特性以及应力分布。对材料疲劳、蠕变以及在动态载荷作用下的失效机理的深入理解，是确保MEMS设备长期稳定运行的关键，本书将在这方面提供详实的理论支持。 此外，本书还将深入探讨微机电系统的能量转换机理。MEMS设备往往需要将电能、光能、热能、机械能等相互转换，以实现传感、驱动、信息处理等功能。本书将详细介绍压电效应、压阻效应、静电效应、热膨胀效应以及磁致伸缩效应等物理现象，并阐述它们在MEMS设计中的应用。理解能量转换的效率、损耗以及响应速度，对于优化MEMS器件的性能至关重要。 在理论层面，本书还会触及微流控技术中的流体动力学。当流体在微通道中流动时，其行为往往与宏观尺度下的情况大相径庭。层流、湍流、表面张力驱动的流动以及微通道中的传热传质现象，都将得到细致的分析。如何精确控制微流体的运动，实现高效混合、分离和反应，是微流控MEMS的核心挑战，本书将提供深入的理论指导。 第二部分：动态微机电系统设计与仿真——从概念到实现的桥梁 理论的价值最终体现在实践之中。本书的第二部分将把抽象的理论转化为具体的工程实践，重点在于MEMS的设计流程与仿真技术。读者将学习一套完整的设计方法论，从功能需求分析、器件原理选择、结构设计、材料选择，到性能指标的定义和验证。 本书将详细介绍当前主流的MEMS设计工具和仿真软件，例如COMSOL Multiphysics、ANSYS等，并结合实际案例，演示如何利用这些工具进行多物理场耦合仿真。仿真内容将涵盖结构的力学行为、电磁场分布、流体流动特性、热力学过程以及它们之间的相互作用。通过仿真，设计者可以预测器件的性能，优化结构参数，评估潜在的设计缺陷，从而大大缩短研发周期，降低制造成本。 特别值得一提的是，本书将强调在动态MEMS设计中，对非线性效应的考虑。许多MEMS器件在工作时会表现出显著的非线性，例如大位移引起的几何非线性，强电场或磁场引起的材料非线性，以及流体边界层效应等。忽视这些非线性因素可能导致仿真结果与实际性能出现严重偏差。因此，本书将提供系统的方法来识别、建模和处理这些非线性问题，确保设计的鲁棒性。 此外，本书还将探讨MEMS制造工艺对动态性能的影响。不同的制造技术，如光刻、蚀刻、薄膜沉积、键合等，都会在MEMS器件的表面形貌、精度和材料特性上留下痕迹，进而影响其动态性能。本书将分析常见的MEMS制造工艺及其优缺点，以及如何根据器件的动态性能要求选择合适的制造工艺。 第三部分：动态微机电系统应用——赋能未来科技的无限可能 理论的严谨与设计的精巧，最终服务于广泛的应用。本书的第三部分将聚焦于动态微机电系统在各个领域的前沿应用，展示MEMS技术如何为现代科技的发展注入新的活力。 在消费电子领域，本书将探讨MEMS在智能手机、可穿戴设备中的应用，如高精度加速度计、陀螺仪、麦克风、生物传感器等。这些微型器件的动态响应速度和精度直接影响着设备的交互体验和功能实现，例如，用于游戏控制的运动传感器，用于健康监测的心率传感器，以及用于语音输入的微型麦克风。 在汽车工业，MEMS的应用已深入到安全、性能和舒适性等各个方面。本书将介绍应用于汽车安全气囊的压力传感器、用于发动机控制的温度和压力传感器、用于导航和姿态控制的惯性测量单元（IMU）等。这些器件的快速、准确的动态响应是保障行车安全的关键。 在医疗健康领域，MEMS技术正以前所未有的方式改变着诊断、治疗和监护。本书将详细介绍用于疾病早期诊断的微型生物传感器，用于药物递送的微泵和微阀，用于微创手术的微型机器人，以及用于生理信号监测的植入式微型传感器。例如，用于血糖监测的连续血糖传感器，以及用于心血管疾病诊断的微型导管。 在工业自动化与航空航天领域，MEMS的高可靠性、小型化和低功耗特性使其成为理想的选择。本书将探讨应用于精密制造的微型执行器、用于环境监测的微型气体传感器、用于姿态控制和导航的惯性传感器，以及用于结构健康监测的微型应力传感器。 本书还将深入探讨MEMS在新能源、通信、科学研究等新兴领域的应用。例如，在太阳能电池中的微型光学元件，在光通信系统中的微型光开关，以及在基础科学研究中的微型实验平台。 结论 《动态微机电系统——理论与应用》不仅仅是一本技术手册，更是一扇通往微观世界神奇之门的钥匙。它旨在为工程师、研究人员、学生以及任何对微观技术充满好奇的读者，提供一套系统、全面、深入的知识体系。通过对理论的精辟解读，对设计的严谨指导，以及对应用的广泛描绘，本书将激励读者深入探索MEMS技术的无限可能，并将其转化为推动社会进步的强大动力。本书将帮助您理解那些看不见却至关重要的微小力量，是如何塑造着我们触手可及的未来。

评分☆☆☆☆☆

我注意到这本书在对“系统集成”这个核心概念的处理上，展现出了超越一般学科划分的宏大视野。很多相关书籍要么只关注器件的物理实现，要么只关注上层的控制算法，很少能将两者有机地、深入地结合起来。而这部作品的独特之处在于，它清晰地阐述了微机电系统从纳米尺度上的本构关系，如何层层累积、传递影响，最终决定宏观系统层面的性能和稳定性。书中对于“跨尺度建模”和“多物理场耦合”的论述，尤为精彩，它不仅仅是罗列了不同的物理场方程，而是深入探讨了在微观尺度下，诸如表面效应、量子效应与传统连续介质力学之间的衔接点。这种系统性的视角，对于培养未来能够设计出复杂、高可靠性微系统的工程师来说，是至关重要的，它提供了一个将分散的知识点整合为一个有机整体的思维框架。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我抱着一种“姑且一试”的心态开始阅读这本专业的著作，毕竟市面上关于这个领域的书籍汗牛充栋，真正能让人耳目一新的不多。但这本书的“应用”部分，彻底颠覆了我的预期。它没有停留在纯理论的象牙塔里，而是非常务实地探讨了如何将那些复杂的、在纸面上看起来美轮美奂的模型，转化为能实际工作的微型设备。书中对几种典型的执行器和传感器的工作机制进行了非常详尽的案例分析，比如基于压电效应的微泵、用于生物医学成像的微镜阵列等等。特别值得称赞的是，作者在讨论这些应用时，并没有回避实际工程中常见的“妥协”与“优化”，他们坦诚地分析了材料限制、加工误差以及环境因素对最终性能的制约，并且提供了相应的工程解决方案和设计流程。这种直面现实的坦率，让这本书的实用价值远超一般的理论教材，它更像是一位经验丰富的前辈，在手把手地教你如何把理论的蓝图变成可触摸的产品原型。

评分☆☆☆☆☆

这本书的写作风格是极其内敛且富有节奏感的，它不像某些畅销书那样试图用夸张的语言来渲染技术的前沿性，而是用一种近乎冷静的、如同精密仪器测量般精确的笔触来构建知识体系。我个人特别欣赏它在处理数学推导时的那种克制——该详细展开的地方毫不含糊，保证了推导的严密性；但对于那些读者普遍熟悉的背景知识，又能做到恰到好处的概括，避免了不必要的冗余，极大地提高了阅读效率。在一些关键性的概念阐述上，作者往往会用一种对比性的叙述方式，先指出传统方法的局限性，再引入新的理论模型来解决这些问题，这种“问题导向”的叙事策略，使得学习过程充满了发现和豁然开朗的体验。对于我这种对理论深度有要求的读者来说，这种教科书式的严谨度，确保了每一次阅读都能有所收获，而不是走马观花地浏览概念。

评分☆☆☆☆☆

这部鸿篇巨制，厚实得像是能直接当镇纸用，装帧设计走的是那种低调的学术风，封面上的那几个技术名词组合在一起，立刻就能让人感受到一种严谨和深邃。我一开始翻开这本书，就被它的目录吸引住了，里面的章节划分简直像是一张精密的手术图谱，从基础的物理原理剖析到复杂的器件设计与集成，再到实际系统层面的控制策略，层层递进，逻辑清晰得让人几乎找不到可以吐槽的空隙。特别是关于那些纳米尺度的结构动力学部分，作者似乎是下了死功夫去梳理那些极其微观层面的摩擦、阻尼和热效应，用数学语言描述得既精确又富有洞察力，完全不像有些教科书那样堆砌公式，而是真正地在引导读者去理解“为什么”会产生这样的行为。读完前几章，我就感觉自己的知识体系里那些原本松散的节点，一下子被一种强大的理论框架强行连接起来了，这对于任何想在微系统领域深耕的人来说，都是一种无价的指引，它提供的不是现成的答案，而是思考问题的全新维度和工具箱。

评分☆☆☆☆☆

这本书的配图质量和数量，绝对是业内顶尖水准。我发现很多复杂的三维结构和场分布，如果仅仅依靠文字描述，即便理论再扎实，读者也难免在脑海中产生模糊的印象。然而，这本书中的每一张图表，无论是有限元分析的结果可视化，还是实验装置的示意图，都制作得极为清晰、信息密度高，并且图注标注得非常到位。特别是那些关于谐振器模式和阻尼机制的动画（在某些电子版中可见）或者剖面图，简直是教科书级别的范例。这些精良的视觉辅助材料，极大地降低了理解那些抽象物理现象的门槛。我甚至发现，有些我以前花了大量时间试图在脑中构建的复杂运动轨迹，通过书中一张精心绘制的示意图，瞬间就变得清晰明了，这无疑是提升学习效率的捷径，也体现了编撰者对读者学习体验的深切关怀。