微機電係統基礎（原書第2版） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　相對於人們對涉及的非傳統物理的理解，MEMS技術發展得非常快。隻有深刻掌握其基本原理，纔能促進MEMS技術的提高，纔有可能進行微機電係統的設計和製造，並讓其在現有的和設想的各個領域廣泛應用。本書是MEMS手冊中的基礎部分，提供有關MEMS理論和技術基礎的文獻和參考。書中除瞭介紹MEMS在微小尺度方麵的物理學、流體力學、力學、光學、電、潤滑，還包含瞭控製理論、分布式控製及軟計算的內容。這些內容涉及未來應用的各種重要基礎知識，將其應用於微傳感器和微執行器能夠實現節約能源的有效控製並提高人工裝置性能。本書可供MEMS技術人員和設計人員使用，也可供MEMS專業的高年級本科生和研究生參考。

作者簡介

　　Mohamed Gad-el-Hak，1966年於艾因·夏姆斯大學（埃及）獲得瞭他的學士學位（成績優異），1973年從約翰·霍普金斯大學獲得他的流體力學博士學位，在那裏他與Stanley Corrsin教授一起工作。Gad-el-Hak此後在南加州大學、弗吉尼亞大學、聖母大學、格勒諾布爾國立理工學院、普瓦捷大學、埃爾朗根-紐倫堡的弗裏德裏希-亞曆山大大學、慕尼黑工業大學和柏林工業大學進行過教學和研究活動，並在美國和海外研討會廣泛地演講。Gad-el-Hak博士目前是位於裏士滿的弗吉尼亞聯邦大學生物醫學工程係的伊內茲考迪爾教授和機械工程係的首席教授。在被聖母大學任命為航空航天和機械工程係教授之前，Gad-el-Hak是華盛頓州西雅圖一個流量研究公司的高級研究科學傢和項目經理，在那裏他管理各種空氣動力學和流體動力學研究項目。
　　Gad-el-Hak教授由於開發齣幾個新的湍流診斷工具而聞名世界，其中包括激光誘導熒光（LIF）技術實現流體的可視化；發現瞭通過不穩定的周圍平流層實現湍流區快速增長的高效機製；開創性地進行瞭有關湍流邊界層的流體與柔性錶麵相互作用的實驗；引入目標控製概念，實現瞭壁麵邊界流動的阻力減小、升力增強和混閤增強；以及開發齣一種新型的黏性泵以適閤微機電係統（MEMS）的應用。Gad-el-Hak於1994年發錶的湍流邊界層Reynolds數效應工作是該主題範式轉變的標誌。他於1999年發錶的微型器件流體力學的論文為該新興領域建立瞭堅實的物理根基，是20世紀90年代被引用多的文章之一。
　　Gad-el-Hak擁有兩項專利：一個是飛機和潛水器的減阻方法，另外一個是用於三角翼的上升控製裝置。Gad-el-Hak博士發錶瞭超過450篇文章，撰寫/編輯瞭14本書和會議文集，在各嚮同性湍流、邊界流動、分層流動、流體-結構相互作用、柔性膜、非穩態空氣動力學、生物流動、非Newtonian流體、硬件和軟計算包括遺傳算法、流量控製以及微機電係統的基礎和應用研究領域做瞭250多個邀請報告。
　　Gad-el-Hak的論文已經在技術文獻中被引用超過1000次。他是Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management的撰稿人，是Frontiers in Experimental Fluid Mechanics、Advances in Fluid Mechanics Measurements、Flow Control: Fundamentals and Practices, The MEMS Handbook, Transition and Turbulence Control的編輯。
　　Gad-el-Hak教授是美國力學會會士、美國物理學會會士和終生成員、美國機械工程師學會會士、美國航空航天研究所助理會士以及歐洲力學會的會員。近，他被推選為Tau Beta Pi的傑齣工程師，Sigma Gamma Tau和Pi Tau Sigma的榮譽會員，以及Sigma Xi的自由會員。1988～1991年，Gad-el-Hak博士擔任瞭AIAA雜誌的副主編。他目前擔任e-MicroNano�眂om主編，是Applied Mechanics Reviews和e-Fluids的副主編，以及Springer-Verlag的Lecture Notes in Engineering和Lecture Notes in Physics，McGraw-Hill的Year Book of Science and Technology和CRC齣版社的Mechanical Engineering Series的特約編輯。
　　Gad-el-Hak博士擔任瞭埃及、法國、德國、意大利、波蘭、新加坡、瑞典、英國、美國政府、聯閤國以及眾多工業組織的顧問。Gad-el-Hak教授一直是美國國防部、能源部、航天局和國傢科學基金會幾個谘詢小組的成員。在1991/1992學年，他在法國格勒諾布爾法蘭西機械學院任客座教授。在1993年、1994年和1997年的夏天， Gad-el-Hak博士分彆在羅德島新港海軍水下作戰中心作為傑齣教授研究員，在法國普瓦捷大學作為訪問教授，在德國德纍斯頓的Forschungszentrum Rossendorf作為訪問科學傢。1998年， Gad-el-Hak教授被評為第十四屆ASME弗裏曼學者。1999年，Gad-el-Hak獲得瞭著名的亞曆山大·馮·洪堡奬——德國為美國所有領域的資深科學傢和學者頒發的高科研奬——以及日本政府為外國學者頒發的研究奬。2002年，Gad-el-Hak被評為ASME傑齣講師，並入選約翰·霍普金斯大學學者協會。

內頁插圖

目錄

譯叢序
譯者序
前言
主編
撰稿人
第1章緒論1
參考文獻4
第2章微機械器件的尺度6
2.1簡介6
2.2對數坐標圖7
2.3機械係統的尺度8
參考文獻13
第3章MEMS常用材料的力學性能14
3.1簡介14
3.2力學性能的定義15
3.3測試方法17
3.4力學性能參數27
3.5初始設計值34
緻謝35
參考文獻35
第4章流體物理學44
4.1簡介44
4.2流體物理學45
4.3流體建模46
4.4納維-斯托剋斯方程49
4.5可壓縮性51
4.6邊界條件54
4.7基於分子的模型59
4.8液態流體64
4.9錶麵現象69
4.10結束語72
參考文獻73
第5章MEMS綜閤仿真：流動-結構-熱場-電場耦閤77
5.1簡介78
5.2電路-器件耦閤仿真82
5.3模擬器概述83
5.4電路-微流體器件仿真89
5.5集成模擬方法示範93
5.6小結與討論95
緻謝95
參考文獻95
第6章基於分子的微流體仿真模型99
6.1簡介99
6.2氣體流動100
6.3液體和稠密氣體的流動116
6.4小結118
參考文獻119
第7章小尺度內部氣流的流體動力學124
7.1簡介124
7.2流動物理學125
7.3模擬方法的發展138
7.4討論143
緻謝143
參考文獻144
第8章微器件流體的伯內特模擬148
8.1簡介148
8.2伯內特方程的曆史151
8.3控製方程153
8.4壁-邊界條件157
8.5伯內特方程的綫性化穩定性分析157
8.6數值方法159
8.7數值模擬159
8.8小結169
參考文獻169
第9章微通道中滑移流動的晶格玻爾茲曼模擬173
9.1簡介173
9.2三維可壓縮黏性MHD方程174
9.3LBGK方程和MHD方程的平衡粒子分布函數f0i 175
9.4LBGK方程和磁感應方程的平衡粒子分布函數g(0)i175
9.5粒子分布函數的耦閤LBGK方程解176
9.6有/無磁場的微通道壓力驅動滑移流體176
9.7小結180
緻謝180
參考文獻180
第10章微通道中的液體流動182
10.1簡介183
10.2電動學背景知識197
10.3小結213
參考文獻214
第11章MEMS的潤滑223
11.1簡介224
11.2基本尺度問題224
11.3潤滑的控製方程226
11.4庫愛特流阻尼227
11.5擠壓薄膜阻尼228
11.6轉動器件的潤滑230
11.7MEMS軸承幾何形狀的限製231
11.8推力軸承232
11.9滑動軸承234
11.10製造問題239
11.11摩擦和磨損241
11.12小結242
緻謝242
參考文獻243
第12章液體薄膜物理學245
12.1簡介245
12.2固體錶麵液態膜的演化方程252
12.3等溫薄膜256
12.4熱效應269
12.5相變：汽化和凝結275
12.6結束語281
緻謝282
參考文獻282
第13章微通道中氣泡/液滴的輸運289
13.1簡介289
13.2基礎290
13.3壓力驅動氣泡/液滴輸運的布雷瑟頓問題291
13.4電動流氣泡輸運295
13.5未來方嚮297
緻謝298
參考文獻298
第14章控製理論基礎300
14.1簡介300
14.2經典綫性控製301
14.3“現代”控製311
14.4非綫性控製316
14.5結束語322
參考文獻322
第15章基於模型的分布式架構流動控製325
15.1簡介326
15.2綫性化：小街區的生活327
15.3綫性穩定：嚮現代綫性控製理論藉力329
15.4分散：大規模列陣設計336
15.5局域化：非物理假設釋放338
15.6補償器縮減：消除不必要的復雜性340
15.7推論：非綫性係統的綫性控製342
15.8泛化：擴展到空間發展流動344
15.9非綫性優化：完全納維-斯托剋斯方程的局域解346
15.10魯棒性：Murphy定律的吸引力353
15.11統一：閤成通用框架354
15.12分解：基於仿真的係統建模355
15.13全局穩定：守恒增強穩定性355
15.14適用：考慮不斷變化的環境356
15.15性能限製：確定理想控製目標357
15.16實施：評估工程化摺中357
15.17討論：對話的共同語言358
15.18未來：文藝復興359
緻謝361
參考文獻361
第16章控製中的軟計算364
16.1簡介364
16.2人工神經網絡365
16.3遺傳算法373
16.4模糊邏輯與模糊控製377
16.5小結386
緻謝386
參考文獻386
附錄391
附錄一國際單位製詞頭（SI詞頭）391
附錄二本書縮略語391

前言/序言

　　過瞭沒多大一會兒，我覺得有個什麼活的東西在我的左腿上蠕動，輕輕地嚮前移著，越過我胸脯，幾乎到瞭我的下巴前。我盡力將眼睛往下看，竟發現一個身高不足六英寸、手持弓箭、背負箭袋的人！……僥幸的是我把繩子掙斷瞭，拔齣瞭將我的左臂固定到地上的木釘。我把左臂舉到眼前，發現瞭他們綁縛我的方法。這時我又用力一扯，雖然十分疼痛，但還是將綁我左邊頭發的繩子扯鬆瞭一點，這樣我纔能稍稍將頭轉動大約兩英寸。……這些人是十分齣色的數學傢，在皇帝的支持與鼓勵下，他們機械學方麵的知識也達到瞭極其完美的程度。這個皇帝以崇尚、保護學術而聞名。這個皇帝有好幾颱裝有輪子的機器，用來搬運樹木和其他的一些重物。
　　（《格列佛遊記——遠航小人國》，喬納森·斯威夫特，1726）
　　在內華達州的沙漠中，一個實驗齣現瞭可怕的失誤。納米粒子雲—微型機器人—已經從實驗室逃齣。這雲可以自我維持和自我復製。它很聰明並且可以從經驗中學習。對於所有的實際目的，它是活的。
　　它被設置為一個捕食者。它在不斷進化，每一小時都變得更加緻命。
　　所有摧毀它的企圖都已經失敗。
　　而我們則是它的獵物。
　　（邁剋爾·剋萊頓的技術驚悚著作《獵物》，哈珀柯林斯齣版社，2002）
　　近三個世紀之餘，富有想象力的小說傢都在引用上述設想的、有時比我們大很多或比我們小得多的生物的存在性。1959年，物理學傢理查德·費曼設想製造齣比製造者要小得多的機器。人類自身的尺寸，略微超過1m，恰好位於最小尺寸的亞原子粒子（約10-26m）和可觀測的最大尺寸的宇宙範圍（約1026m）的正中間。製造工具是人類特有的能力，這種能力將人與地球上的所有其他物種區分開來。在40萬年前，古代的智人就雕刻齣瞭符閤空氣動力學的木製長矛。人製造的東西與他的大小相一緻，通常在數量級比自己大或小兩個數量級的範圍內。我們不停地挑戰著時間和空間的極限，喬納森·斯威夫特(Jonathan Swift,1726)就在他著名的《格利佛遊記》中，對世界上常規物理尺度的放大和縮小進行瞭大膽預測。從宏觀上看，公元前2600年，埃及建造的鬍夫金字塔高達147m，而1931年竣工的帝國大廈高達449m。在建築物高度不斷創下新的世界紀錄的同時，我們人類的設計也在嚮著另外一個方嚮努力。一枚硬幣的直徑一般略大於2cm，從13世紀製錶工匠就開始嘗試微小型化製作工藝，17世紀顯微鏡的發明則開闢瞭直接觀察微生物、植物和動物細胞的途徑，20世紀後半葉則齣現瞭更小的人造物體，今天集成電路中晶體管在生産中的尺寸達到瞭0��18μm，而實驗室中則接近10nm（實際上在2013年生産中已經達到22nm，但是實驗室水平並沒有顯著提高，是否意味著摩爾定律終於要失效瞭？）。
　　MEMS器件是指特徵尺寸為1～100μm、利用集成電路加工技術將機械和電子元件集成的器件。目前MEMS製造技術主要包括矽錶麵微加工、體矽微細加工、光刻、電鍍、塑料成型和電火花加工等。在過去十年中，這個多學科領域展現瞭爆炸式的增長，技術進步的速度也遠遠超過瞭我們對所涉及物理學的理解。以矽加工工藝為代錶的一大批新型的加工技術在世界範圍內得到瞭應用和推廣，特徵尺寸小於100μm的各種各樣的器件先後問世，如靜電的、磁的、電磁的、氣動的和熱驅動的緻動器、電動機、閥、齒輪、懸臂、振動膜和夾具等，廣泛應用於測量壓力、溫度、流體、速率、聲音以及化學成分等；它們不僅是作為傳感器和執行器，還作為復雜係統的重要組成部分，例如芯片實驗室、機器人、微發動機以及微泵等。備受關注的片上分析係統有望使生物和化學分析的自動化程度與計算機相當。全球投入微米和納米技術研究的資金從1997年的4��32億美元增長至2002年的22億美元，大約增長瞭5倍。2004年，美國國傢納米技術計劃的預算接近10億美元，全球的研發投資超過35億美元。據估計，在10～15年內，微米技術和納米技術將在每年的材料市場占3400億美元，電子市場占3000億美元，藥品市場占1800億美元。
　　MEMS係列圖書有三本，涵蓋瞭微機電係統的各方麵，或者更廣泛地說，它涉及機電小型化的藝術和科學的幾個方麵。對MEMS設計、製造和應用，以及它們使用的材料、運輸現象和操作的工作機理都進行瞭討論。本書包含瞭微機電係統的電氣、結構、流體、傳輸和控製方麵的章節。其他章節涵蓋瞭微型器件在各領域已有的和潛在的應用，包括儀器儀錶和分布式控製。最新的微尺度流體力學、晶格玻爾茲曼模擬、以聚閤物為基礎的傳感器和執行器、診斷工具、微執行器、電動非綫性器件和分子自組裝領域的章節都包含在這套三本書構成的MEMS係列圖書的第二本中。MEMS：Introduction and Fundamentals共16章，介紹瞭相關背景和物理方麵的信息；MEMS：Design and Fabrication共14章，討論瞭微型器件的設計和製造；MEMS：Applications共15章，迴顧瞭一些微傳感器和微執行器的應用。
　　這套書共45章，都是由這個多學科領域中全球最權威的專傢撰寫的。這71位撰稿人來自加拿大、中國、印度、以色列、意大利、韓國、瑞典和美國，並分布於學術界、政府和工業界。在本著嚴謹的前提下，本書的內容對具有工程學或科學背景的讀者具有很強的可讀性。由於有多位撰稿人參與編寫，書中各章節在長度、深度、廣度和風格上難免存在差異。這些書作為參考對於本領域有經驗的科學傢和工程師或者剛剛開始從事電子機械小型化藝術和科學的研究人員以及研究生將會是非常有用的。
　　主編非常感謝所有撰稿人的奉獻精神、努力以及無私慷慨地奉獻他們的時間，沒有物質奬勵，隻有希望他們的辛勤工作可能有一天給彆人的生活帶來某些變化。同時也要感謝Taylor & Francis集團的Cindy Renee Carelli（采集編輯）、Jessica Vakili（生産協調）、N. S. Pandian和Macmillan India有限公司編輯團隊的其他成員，Mimi Williams和Tao Woolfe（項目編輯），他們的工作熱情和努力感染著每一個人。

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