微米纳米器件设计 9787118097849 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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黄庆安 著

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• 微纳米器件
• 器件设计
• 微电子学
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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118097849

商品编码：29755833027

包装：平装

出版时间：2015-03-01

图书基本信息
图书名称	微米纳米器件设计	作者	黄庆安
定价	118.00元	出版社	国防工业出版社
ISBN	9787118097849	出版日期	2015-03-01
字数		页码
版次	1	装帧	平装
开本	16开	商品重量	0.4Kg

内容简介

本书是MEMS设计的专著，主要介绍MEMS器件、系统和工艺的模型、模拟以及设计方法。在器件级设计中，介绍微传感器和微执行器的工作原理，偏微分方程和耦合偏微分方程的有限元网格划分、算法及后处理方法；在系统级设计中介绍MEMS系统级建模方法，例如接点分析法、等效电路法、VHDL等；在MEMS工艺模型中，介绍主要加工方法如硅各向异性腐蚀、DRIE、UV-LIGA等工艺模型及相关算法（元胞自动机、线算法等）。后介绍MEMS设计软件结构、模块以及使用方法和算例。

作者简介

目录

章 MEMS设计框架 1.1 科技问题的计算 1.2 MEMS建模层次和设计方法 1.2.1 MEMS建模与分析 1.2.2 MEMS可制造性设计 1.2.3 MEMS设计的发展 1.3 NEMS设计 1.4 本书框架 1.5 总结 参考文献 第2章 MEMS器件级模型与模拟 2.1 基本方程 2.1.1 弹性力学方程 2.1.2 振动力学方程 2.1.3 流体力学方程 2.1.4 传热方程 2.1.5 电磁学方程 2.1.6 多场耦合 2.2 求解条件 2.2.1 初始条件 2.2.2 边界条件 2.2.3 连接条件 2.3 数值方法 2.3.1 有限差分法 2.3.2 有限元法 2.3.3 边界元法 2.4 设计工具介绍 2.4.1 Ansys 2.4.2 Coventor 2.4.3 IntelliSuite 2.5 总结 参考文献 第3章 MEMS器件宏模型与系统级设计 3.1 微机电系统构成及其分解 3.2 宏模型建模方法 3.2.1 解析法 3.2.2 等效电路法 3.2.3 节点分析法 3.2.4 模型降阶法 3.3 常用MEMS器件宏模型 3.3.1 静电执行器件模型 3.3.2 电热器件模型 3.3.3 MEMS器件与封装体耦合模型 3.4 系统级设计工具介绍 3.4.1 Saber 3.4.2 Spice 3.4.3 Simulink 3.4.4 VHDL 3.5 总结 参考文献 第4章 MEMS工艺级模型与模拟 4.1 集成电路制造工艺概述 4.1.1 集成电路芯片制造基本工艺 4.1.2 集成电路制造流程 4.1.3 光刻母版和掩模版 4.1.4 集成电路制造实例 4.2 MEMS制造工艺概述 4.2.1 硅表面微机械加工技术 4.2.2 硅体微机械加工技术 4.2.3 uGA与uV—IIGA技术 4.3 工艺模拟算法 4.3.1 线算法 4.3.2 元胞自动机算法 4.3.3 水平集算法 4.3.4 快速推进算法 4.4 常用MEMS工艺的模型与模拟 4.4.1 硅各向异性腐蚀 4.4.2 深反应离子刻蚀 4.4.3 硅一硅直接键合工艺模型和模拟 4.4.4 薄膜淀积、刻蚀模型与模拟 4.4.5 Su-8厚胶光刻 4.4.6 牺牲层腐蚀 4.5 MEMS工艺软件包 4.5.1 Sentaurus Process 4.5.2 SEAES 4.5.3 Exposure 4.6 总结 参考文献 第5章 NEMS设计基础 5.1 NlEMS 5.1.1 NEMS特征 5.1.2 NEMS实例 5.1.3 NEMS建模需要考虑的问题 5.2 统计力学基础 5.2.1 分子动力学理论 5.2.2 分子速率与能量分布 5.2.3 热涨落与噪声 5.2.4 统计分布 5.2.5 玻耳兹曼方程 5.3 量子力学基础 5.3.1 波函数与薛定谔方程 5.3.2 计算实例 5.3.3 量子阱、量子线和量子点 5.3.4 wKB近似 5.3.5 Casimir效应 5.4 晶格动力学基础 5.4.1 固体中的键及类型 5.4.2 晶格振动 5.4.3 固体热容 5.4.4 固体热膨胀 5.4.5 固体弹性 5.5 分子动力学模拟方法 5.5.1 拉格朗日运动方程和牛顿运动方程 5.5.2 力和势能函数 5.5.3 周期性边界条件和力场截断 5.5.4 有限差分算法 5.5.5 系综 5.5.6 宏观物理量求解 5.6 典型NEMS结构与器件模型 5.6.1 纳米硅尖场致发射模型 5.6.2 纳米硅膜力学特性的多尺度方法 5.6.3 纳米硅悬臂梁吸附模型 5.6.4 纳米硅膜压阻模型 5.7 纳米材料分析工具介绍 5.7.1 Materials Studio软件功能模块 5.7.2 设计实例 5.8 总结 参考文献

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《微米纳米技术丛书》丛书作者以总装备部科技委相关专家组为主体基于大量***的科技成果为背景内容体现我国该领域诸多突破性的进展吸收外同行专家的智慧编写而成充分体现我国在该技术领域的研究水平传承该行业的技术知识指导以后的相关科技工作《RF MEMS器件设计、加工和应用》《微米纳米器件测试技术》《聚合物微纳制造技术》《空间微系统与微纳卫星》《MEMS传感器接口ASIC集成技术》《微米纳米器件封装技术》《微型惯性器件及系统技术》《MEMS集成设计技术及应用》《微米纳米器件设计》

文摘

序言

微纳器件设计：开启精密制造新纪元 本书籍《微米纳米器件设计》 ISBN：9787118097849，并非直接涵盖您所询问内容的具体书籍，而是致力于探讨一个更为宏大且基础的学科领域——微米纳米器件的设计。这个领域是当前科技发展的前沿，涉及了材料科学、物理学、化学、电子工程、机械工程以及生物医学工程等多个学科的交叉融合。它研究的对象是尺寸在微米（10^-6米）到纳米（10^-9米）级别的高度集成化、功能化的器件。这些器件的尺寸之小，已经超出了人眼直接观察的范围，因此其设计、制造和表征都依赖于极其精密的科学技术和方法。 第一章：微纳世界的基石——尺寸效应与物理原理 在微米纳米尺度下，物质表现出的物理、化学和生物学特性与宏观尺度存在显著差异，这些差异被称为“尺寸效应”。本章将深入剖析这些效应的根源。我们将从量子力学的角度出发，解释在纳米尺度下，电子的隧穿、量子限制等现象如何影响材料的导电性、光学性质和磁性。例如，半导体材料在纳米尺度下，其禁带宽度会随着尺寸的减小而变化，这为设计新型光电器件提供了可能。 同时，我们还将探讨表面效应在微纳器件中的重要性。当器件尺寸减小时，其表面积与体积之比急剧增大，表面原子占据的比例显著增加。这使得表面能、表面吸附、催化活性等表面特性成为决定器件性能的关键因素。例如，在催化领域，纳米颗粒由于其极高的比表面积，可以表现出远超宏观材料的催化效率。 此外，本章还将介绍一些在微纳尺度下起主导作用的力学原理，如范德华力、静电力和毛细力。这些微弱但累积起来却非常可观的力，在微纳器件的组装、驱动和操作中扮演着至关重要的角色。理解这些基本物理原理，是进行有效微纳器件设计的必要前提。 第二章：塑造微纳世界的工具——微纳制造技术概览 要设计和制造微米纳米器件，就必须掌握相应的制造技术。本章将系统介绍当前主流的微纳制造技术，从根本上理解器件的实现路径。 2.1 光刻技术：微纳图形的“印刷术” 光刻是半导体工业的核心制造技术，也是微纳器件制造的基础。我们将详细介绍不同类型的光刻技术，包括紫外光刻（UV Lithography）、深紫外光刻（DUV Lithography）、极紫外光刻（EUV Lithography）以及电子束光刻（E-beam Lithography）和X射线光刻（X-ray Lithography）。我们将阐述它们的工作原理，对比它们的特点、分辨率、成本和适用范围。例如，EUV光刻以其极短的波长，能够实现数十纳米甚至更小的特征尺寸，是当前尖端芯片制造的关键技术。电子束光刻虽然分辨率极高，但速度较慢，常用于研发和小批量生产。 2.2 非光刻技术：突破光刻限制 除了光刻，还有许多非光刻技术在微纳器件制造中发挥着重要作用。本章将介绍： 刻蚀技术（Etching）： 包括干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE、感应耦合等离子体刻蚀 ICP）和湿法刻蚀。我们将分析它们的机理、选择性、各向异性等关键参数，以及它们如何与光刻技术协同工作，形成器件的三维结构。 沉积技术（Deposition）： 包括物理气相沉积（PVD，如溅射、蒸发）和化学气相沉积（CVD，如PECVD、LPCVD）。我们将解释如何通过这些技术在衬底上生长所需厚度、成分和结构的薄膜材料，这是构建器件功能层的基础。 微机械加工（Micromachining）： 重点介绍体硅微加工（Bulk Micromachining）和表面硅微加工（Surface Micromachining），以及非硅基材的微加工技术，如玻璃、聚合物等的加工方法。这些技术是制造微型传感器、执行器、微流控器件等机械结构的关键。 自组装技术（Self-assembly）： 介绍利用分子间作用力，使纳米材料或微结构自发形成有序排列的技术。这是一种低成本、大规模制造纳米器件的潜力巨大的方法。 3D打印技术（3D Printing）： 讨论适用于微纳尺度的3D打印技术，如立体光刻（SLA）、双光子聚合（TPP）等，它们能够实现复杂三维结构的快速原型制造。 第三章：设计智能的灵魂——微纳器件的功能设计原理 微纳器件之所以具有强大的功能，在于其精巧的设计。本章将围绕不同类型的微纳器件，阐述其功能设计的基本原理。 3.1 传感器件（Sensors）：洞察微观世界的“眼睛” 微纳传感器能够感知和测量微观世界的各种信息，如温度、压力、化学物质、生物分子、光信号等。我们将探讨： 压阻式传感器： 基于材料在受力形变时电阻率变化的原理，用于压力、加速度等测量。 电容式传感器： 利用介质常数或极板间距变化引起电容改变的原理，广泛应用于湿度、位移等测量。 光学传感器： 如光敏电阻、光电二极管、光学谐振器等，利用光与物质的相互作用将光信号转换为电信号，或反之。 化学传感器： 基于材料与特定化学物质的反应导致电学、光学或质量等性质改变的原理，用于气体、液体和生物分子的检测。 生物传感器： 将生物识别元件（如抗体、酶、DNA）与换能器结合，实现对生物标志物的特异性检测。 3.2 执行器（Actuators）：微观世界的“动力源” 微纳执行器能够将电信号、热信号或化学能转化为机械运动，实现微观尺度下的驱动和控制。我们将重点介绍： 微机电系统（MEMS）执行器： 包括微型马达、微型泵、微型阀门、微型扬声器等。我们将分析静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动等不同驱动方式的工作原理。 形状记忆合金（SMA）驱动器： 利用SMA在温度变化下发生的相变，实现形变与复原。 微型机器人： 探讨微纳尺度下的机器人设计，包括其运动方式、驱动机制和应用前景。 3.3 集成电路与逻辑器件：计算能力的微缩 微纳技术是现代集成电路（IC）和超大规模集成电路（VLSI）的基石。我们将探讨： 晶体管（Transistor）的微缩化： 从MOSFET、FinFET到GAAFET，分析晶体管结构尺寸的不断缩小如何提升器件的性能和集成度。 逻辑门与电路设计： 介绍如何在微纳尺度下实现基本的逻辑功能，以及如何构建复杂的数字电路。 新型存储器： 如MRAM、ReRAM、PCM等，探讨它们的工作原理和相对于传统存储器的优势。 3.4 微流控与生物芯片：微观流体的精确控制 微流控技术是指在微米尺度下对流体进行精确操控的技术。生物芯片则将生物分析过程集成在微型化的平台上。本章将阐述： 微通道设计与流体动力学： 分析在微观尺度下，层流、扩散、表面张力等现象的重要性，以及如何利用这些现象设计微通道。 微泵与微阀： 介绍实现微流体驱动和控制的各类微型泵和微阀。 芯片实验室（Lab-on-a-chip）： 探讨如何将复杂的生物化学分析过程集成到微流控芯片上，实现高效、快速、低成本的检测。 第四章：材料的选择与性能优化——构建微纳器件的物质基础 微纳器件的性能很大程度上取决于所选用的材料。本章将聚焦于适用于微纳器件的各类材料及其性能特点。 4.1 半导体材料：信息处理的支柱 我们将深入介绍硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等半导体材料的晶体结构、能带结构、载流子输运特性，以及它们在不同应用场景下的优劣势。特别是对于三五族半导体和宽禁带半导体，它们在高速、高温、高功率电子器件领域的潜力。 4.2 金属材料：导电与互联的关键 在本节中，我们将讨论常用金属材料如铝（Al）、铜（Cu）、金（Au）、钨（W）等在微纳器件中的应用。重点关注它们的导电率、电阻率、热稳定性、应力迁移等特性，以及如何通过合金化或表面处理来改善其性能。 4.3 介质材料：绝缘与支撑的作用 介质材料在微纳器件中主要起到绝缘、缓冲、支撑等作用。我们将介绍二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN）、聚合物（如PDMS）等材料的介电常数、机械强度、化学稳定性等，以及它们在栅介质、钝化层、封装等方面的应用。 4.4 新型功能材料：拓展微纳器件的可能性 除了传统材料，许多新型功能材料为微纳器件的设计带来了新的机遇。我们将探讨： 二维材料： 如石墨烯、二硫化钼（MoS2）、氮化硼（BN）等。这些材料具有独特的电学、光学和力学性质，有望用于下一代晶体管、传感器、显示器等。 纳米复合材料： 将纳米颗粒、纳米线等引入基体材料，以获得兼具各组分优点的复合材料。 智能材料： 如压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料等，它们能够响应外部刺激产生相应的响应，为执行器和传感器设计提供新思路。 第五章：表征与测试——揭示微纳器件的真实面貌 要验证微纳器件的设计是否成功，精确的表征与测试至关重要。本章将介绍常用的微纳器件表征手段。 5.1 显微成像技术：直观观察微观结构 光学显微镜（Optical Microscope）： 包括明场、暗场、相衬、微分干涉等技术，用于观察微纳器件的宏观形貌和部分微观结构。 扫描电子显微镜（SEM）： 提供高分辨率的表面形貌图像，并能进行元素成分分析（EDS）。 透射电子显微镜（TEM）： 能够观察到材料的内部微观结构，分辨率可达原子级别。 原子力显微镜（AFM）： 能够对表面进行三维形貌成像，并测量表面形貌、力学性能、电学性能等。 5.2 电学性能测试：验证器件功能 介绍微纳器件的I-V特性曲线测量、C-V特性曲线测量、噪声测试、频率响应测试等。我们将关注如何在高精度、低噪声的环境下进行测试。 5.3 机械性能测试：评估器件的可靠性 包括微应力测试、疲劳测试、封装应力分析等，以评估器件在实际工作环境下的可靠性。 5.4 光学性能测试：评估光电器件的效率 介绍光电转换效率、光谱响应、发光强度等光学性能的测试方法。 第六章：微纳器件的先进应用领域 微纳器件的飞速发展正在深刻地改变着我们的生活和工作。本章将展望微纳器件在各个领域的广泛应用。 6.1 信息技术领域： 更快的处理器、更大的存储容量、更高效的通信模块，是支撑未来信息产业发展的关键。 6.2 医疗健康领域： 疾病的早期诊断、靶向药物输送、微创手术器械，都离不开微纳器件的支持。例如，基于微流控技术的体外诊断芯片，可以实现快速、便捷的疾病筛查。 6.3 能源领域： 高效太阳能电池、微型燃料电池、能量采集器件，将为清洁能源的发展注入新的活力。 6.4 环境监测领域： 高灵敏度的化学传感器和生物传感器，能够实时监测空气、水质和土壤的污染情况，为环境保护提供有力支持。 6.5 航空航天与国防领域： 轻质、高性能的微纳器件，可以用于导航、控制、通信以及先进武器系统的开发。 结语 微米纳米器件的设计是一个充满挑战与机遇的领域。随着科学技术的不断进步，我们有理由相信，未来会有更多令人惊叹的微纳器件被创造出来，它们将以前所未有的方式改变世界，驱动科技革命的持续深入。本书旨在为读者构建一个关于微纳器件设计及其相关技术的全面认知框架，激励和引导有志于此的科研人员和工程师，共同探索和开创微纳器件设计的新篇章。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我打开了一扇全新的大门，书中的内容逻辑清晰，层层递进，让我这个初学者也能很快抓住核心概念。尤其是作者在讲解复杂理论时，总能巧妙地结合实际案例，让抽象的物理原理变得生动具体。我记得有一次，我被一个关于薄膜沉积的工艺流程卡住了好几天，翻阅了这本书的相应章节后，那种豁然开朗的感觉真是太棒了！作者对材料选择和结构设计的考量非常深入，不仅仅停留在理论层面，更注重工程实践中的可行性。阅读过程中，我能感受到作者在科研领域深厚的积累和对教学的热忱。他不是简单地罗列公式，而是引导读者去思考“为什么”和“如何做”，这种启发式的教学方法非常受用。书中的图示和实验数据也十分详尽和权威，为我的后续研究打下了坚实的基础。这本书对于任何想深入了解微观尺度下设备制造和性能优化的专业人士来说，都是一本不可多得的宝典。它不是那种读完就束之高阁的参考书，而是会让人忍不住反复研读、时常翻阅的案头必备良器。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的感受是它的“实用导向性”极强。它不是一本纯粹的理论探讨集，而是充满了可操作性的指导方针。作者在介绍完一个新概念后，紧接着就会给出“设计考量”和“潜在陷阱”的提示。比如在讨论介质材料的选择时，书中不仅列出了介电常数，还详细分析了不同材料在特定温度和湿度下的长期稳定性数据，这种细节的把握，体现了作者扎实的工程实践背景。我感觉自己仿佛拥有了一份私人导师的备忘录，很多在实际操作中会遇到的“坑”，这本书都提前给我标好了红线。对于正在进行毕业设计或者新项目立项的读者而言，这本书的参考价值是无可替代的。它提供的是一套完整的思考路径，帮助你从“知道要做什么”进化到“知道如何做好这件事”的层面，极大地提高了我的工作效率和设计质量。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版设计，说实话，一开始让我有点不适应，但深入阅读后，我发现这种独特的布局反而有其独到之处。它不像某些教科书那样中规中矩，而是带有一种早期学术著作的严谨和朴实感，内容密度非常高，几乎没有一页是凑数的“水文”。对于追求效率的读者来说，这意味着可以更快速地从字里行间提炼出关键信息。我特别欣赏作者在讨论器件极限性能时所展现出的那种毫不妥协的科学精神，他没有回避那些尚未完全解决的挑战，反而诚恳地指出了当前技术瓶颈所在，这对于激励年轻一代的研究者去攻克难题具有极大的鼓舞作用。虽然某些章节的数学推导略显繁复，需要读者有一定的微积分和线性代数基础才能完全跟上，但这恰恰保证了其学术的深度和严谨性。总而言之，这是一本对读者要求较高，但回报也极其丰厚的专业书籍，它考验你的毅力，但最终会给你带来知识上的巨大满足感。

评分☆☆☆☆☆

我手里拿到的这本，装帧质感非常实在，纸张的厚度和油墨的清晰度都体现了出版社对专业书籍质量的重视。读起来非常舒服，即使长时间阅读也不会觉得眼睛疲劳。这本书的叙事风格非常内敛和客观，没有花哨的辞藻，完全是硬核的技术论述。它更像是一位经验丰富的老教授在面对面指导你如何从零开始设计一个全新的传感器件。让我印象深刻的是，作者对不同制造工艺的优缺点分析得极其透彻，比如光刻、刻蚀和薄膜生长这三大支柱技术，他都分别进行了深入的横向对比，而不是孤立地介绍。这种宏观的视野对于理解整个微纳制造流程的相互制约性至关重要。我发现，之前在其他地方零散学到的知识点，通过这本书的串联，一下子形成了一个完整的知识体系。它让我意识到，微纳器件的设计远非简单的物理公式应用，而是一门涉及材料科学、精密工程和半导体物理的综合艺术。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的覆盖面非常广，几乎涵盖了从基础理论到前沿应用的各个方面，以至于我刚开始翻阅时，有一种“知识的海洋”扑面而来的压迫感。但细细品味下来，作者的功力就在于他能够将如此庞杂的内容组织得井井有条。章节之间的过渡自然流畅，从宏观的器件原理到微观的界面效应，每一步都走得稳健有力。我尤其赞赏其中对“噪声与可靠性”部分的探讨，这往往是许多入门教材所忽略的关键环节。作者用大量的篇幅强调了在微小型化过程中，随机缺陷和环境因素如何不成比例地放大对器件性能的影响，这对于从事高精度测量和控制领域的工程师来说，无疑是金玉良言。这本书的价值在于它提供了一种“自洽”的知识体系，让你不必再东拼西凑去寻找零散的资料，它提供了一个坚实的理论框架来支撑你的所有工程决策。