微机电系统原理/马晓军 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[韩] 李基邦 著

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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118094329

商品编码：1550077699

出版时间：2014-04-01

作  者:(韩)李基邦 著作 马晓军//吕强//王国胜//魏曙光 译者 定  价:180 出 版 社:国防工业出版社 出版日期:2014年04月01日 装  帧:精装 ISBN:9787118094329 ●暂无

内容简介

本书通过统一的方法和闭合解析法解决微机电问题中的微机电系统原理。首先对宏观和微观世界的基础无量纲参数进行了量纲分析，同时还介绍了微机电系统相关的精密加工技术。此外本书还介绍了静力平衡状态下静力学/力学和力矩对机械结构的影响、静态结构中的机械原理、适用于微机电系统电气性质的电磁学基本方程以及从制动器到特殊用途的传感器在内的微机电系统构建模块的整合等内容。

微机电系统：微观世界的精密设计与广阔应用 微机电系统（MEMS）是当今科技领域中一股不可忽视的新兴力量，它将微电子制造技术与机械工程巧妙融合，在微米甚至纳米尺度上创造出具有感知、控制、执行功能的微型器件和系统。这些肉眼难以察觉的精密装置，正以前所未有的方式渗透到我们生活的方方面面，驱动着信息技术、生物医疗、航空航天、汽车工业乃至消费电子等诸多行业的深刻变革。 MEMS的兴起并非偶然，而是人类对微小世界不断探索和控制的必然结果。从20世纪60年代开始，随着半导体技术的飞速发展，科学家们逐渐意识到，可以将微电子制造中成熟的硅加工工艺应用到制造微型机械结构上。这一思路的突破，为MEMS的诞生奠定了理论基础。早期的MEMS器件主要集中在压力传感器、加速度计等领域，但其巨大的潜力很快被发现。到了20世纪80年代和90年代，随着材料科学、封装技术、系统集成等相关技术的不断进步，MEMS进入了快速发展期，器件种类日益丰富，性能不断提升，应用领域也随之拓宽。 MEMS的核心构成与工作原理 理解MEMS，首先需要把握其核心构成要素。一个典型的MEMS器件通常包含以下几个关键部分： 1. 微传感器（Microsensors）：这是MEMS系统的“感知”单元，负责将物理世界的各种信息，如压力、温度、加速度、位移、光、化学物质等，转化为电信号。 MEMS传感器之所以能在微观尺度上实现高精度感知，得益于其对物理效应的巧妙利用。例如，压阻式传感器利用某些材料在受到机械应力时电阻会发生变化的特性；电容式传感器则利用了微型结构之间距离变化导致电容变化的原理；压电效应传感器则通过压电材料在受力时产生电荷的特性来工作。这些微型传感器不仅体积小巧，功耗低，而且能够集成到芯片上，实现高密度集成和低成本制造。 2. 微驱动器（Microactuators）：这是MEMS系统的“执行”单元，负责将电信号转化为机械运动，从而实现对外部环境的干预或控制。 MEMS驱动器种类繁多，常见的有： 静电驱动器：利用电场产生的库仑力来驱动微型结构运动，如微镜阵列中的反射镜片，通过改变电压来控制其倾斜角度。 压电驱动器：利用压电材料在外加电场作用下产生形变的特性，实现微小位移或力的输出，常用于微泵、微阀等。 热驱动器：利用加热产生的热膨胀效应来驱动微型机械结构，如利用不同材料的热膨胀系数差异产生弯曲。 电磁驱动器：利用电磁线圈产生的磁场与永磁体或导电材料之间的相互作用来驱动微型结构。 MEMS驱动器能够实现高精度、高频率的运动控制，为微型机器人的运动、微流控系统的流体输送等提供了可能。 3. 微机械结构（Micromechanical Structures）：这是MEMS器件实现其功能的物理载体，可以是梁、板、弹簧、齿轮、腔体等各种精密的微型机械部件。这些结构的尺寸通常在微米量级，其设计和制造需要高度精确的工艺控制。例如，在惯性传感器中，微机械结构通常是一个微小的质量块，其在加速度作用下的位移被精确测量。在微流控芯片中，微机械结构可能构成微通道、微阀门、微泵等。 4. 微电子电路（Microelectronics Circuits）：负责对微传感器输出的电信号进行处理、放大、滤波、模数转换等操作，并将处理后的信号传递给微驱动器或外部系统。这部分通常采用成熟的CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）工艺制造，实现MEMS系统的高效集成和智能化控制。 5. 封装（Packaging）：MEMS器件由于其微小的尺寸和对环境的敏感性，需要特殊的封装技术来保护其免受污染、机械损伤，并实现与外部电路的连接。封装技术是MEMS器件实现可靠性和商业化的关键环节。 MEMS的设计与制造工艺 MEMS的设计与制造是其核心技术所在，通常需要跨越多门学科的知识和技能。 设计：MEMS的设计过程与传统机械设计有所不同，它需要充分考虑微观尺度下的物理效应，如表面效应、流体粘滞力、静电力等。设计人员需要利用专门的CAD（Computer-Aided Design）软件进行建模和仿真，预测器件的性能。有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是MEMS设计中常用的仿真工具。 制造工艺：MEMS的制造工艺通常借鉴和发展了半导体制造技术，主要分为以下几类： 体硅加工（Bulk Micromachining）：通过选择性地腐蚀硅衬底材料来形成三维微结构。例如，湿法腐蚀和干法腐蚀（如等离子体刻蚀）是常用的技术。 表面硅加工（Surface Micromachining）：在硅衬底上沉积一层或多层材料，然后通过刻蚀技术选择性地移除部分材料，从而形成浮空的微机械结构。通常需要使用牺牲层（Sacrificial Layer）来支撑要形成的结构，并在后续工艺中将其去除。 LIGA（Lithographie, Galvanoformung, Abformung）工艺：这是一种结合了X射线光刻、电铸成型和注塑成型的工艺，能够制造出具有高深宽比（High Aspect Ratio）的精密微结构，适用于制造微齿轮、微轴承等。 压印光刻（Nanoimprint Lithography, NIL）：一种比传统光刻更低成本、更高分辨率的图案化技术，通过物理压印将模板上的图案转移到基材上。 微流控芯片制造：通常采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）、玻璃、塑料等材料，通过软光刻、注塑、激光烧蚀等技术制造出微通道、微腔室等。 MEMS技术的广泛应用领域 MEMS技术的进步正在深刻地改变着我们的世界，其应用领域可谓包罗万象： 汽车电子：MEMS是现代汽车安全和舒适性的基石。加速度计和陀螺仪是ESP（Electronic Stability Program）和安全气囊系统的核心组件，能够监测车辆的运动状态，在紧急情况下触发安全措施。压力传感器用于监测胎压、发动机油压、进气压力等，提高燃油效率和安全性。 消费电子：智能手机、平板电脑、游戏机等设备中广泛应用了MEMS传感器。加速度计和陀螺仪用于实现屏幕自动旋转、动作感应游戏、步态监测等功能。麦克风（MEMS麦克风）以其体积小、功耗低、性能优异的特点，正在逐渐取代传统的驻极体电容麦克风。 生物医疗：MEMS在医疗诊断、药物输送、微创手术等领域展现出巨大的潜力。生物传感器可以用于检测血糖、尿酸、病毒等生物标志物，实现早期疾病诊断。微流控芯片能够集成复杂的生物化学反应过程，实现高效的体外诊断和药物筛选。微型执行器则可以用于控制药物的精确释放，实现靶向治疗。 航空航天：高精度、轻量化的MEMS传感器在航空航天领域至关重要。惯性导航系统、姿态控制系统、环境监测系统等都离不开MEMS器件。例如，微型陀螺仪可以用于飞机、导弹的精确导航。 工业自动化与机器人：MEMS驱动器和传感器为微型机器人和自动化系统的发展提供了核心动力。微型机器人可以用于精确的组装、检测、甚至微创手术。 MEMS传感器也广泛应用于工业设备的监测和控制，提高生产效率和安全性。 通信与光电子：MEMS技术在光通信领域也扮演着重要角色，例如MEMS可调谐滤波器、光开关等，能够提高光网络的灵活性和效率。微扫描镜（Digital Micromirror Device, DMD）是投影仪的核心技术，通过成千上万个可独立倾斜的微镜来控制光线的反射，实现高清晰度的图像显示。 MEMS技术的未来发展趋势 MEMS技术仍处于蓬勃发展的阶段，未来发展趋势主要体现在以下几个方面： 集成化与智能化：将MEMS器件与微处理器、存储器等集成到同一个芯片上，形成高度集成的“片上系统”（System-on-Chip, SoC），实现更强大的功能和更高的智能化水平。 微系统化：将多个MEMS器件以及相关的电子电路进行集成，形成功能更复杂、性能更强大的微系统，例如微型实验室（Lab-on-a-chip）。 新材料与新工艺：探索和应用新型材料，如柔性材料、生物相容性材料等，以及发展更先进、更经济的制造工艺，以拓展MEMS的应用范围和提高器件性能。 能量收集与无线供电：将MEMS技术与能量收集技术相结合，实现MEMS器件的自供电，减少对外部电源的依赖，从而构建真正自主运行的微型系统。 生物MEMS与医疗应用：随着对生命科学的深入理解，生物MEMS将迎来更广阔的发展空间，特别是在疾病诊断、个性化医疗、再生医学等领域。 总而言之，微机电系统以其独特的微观特性和强大的功能，正在重塑我们对技术的认知和应用。它不仅是微观工程的奇迹，更是推动社会进步的重要驱动力，其未来的发展前景无限光明，值得我们持续关注和深入探索。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计给我留下了深刻的印象。封面采用的是一种哑光质感的纸张，摸上去温润而细腻，色彩搭配上选择了比较沉稳的深蓝色与淡金色，金色的书名“微机电系统原理”在深蓝的背景下显得格外醒目，有一种低调的奢华感。封底的排版也很简洁，只印有出版社的Logo和一些必要的信息，没有过多的装饰，显得很专业。翻开书页，纸张的厚度适中，手感很好，不会轻易折损，而且印刷清晰，字迹工整，即使长时间阅读也不会感到疲劳。每页的留白也恰到好处，让人在阅读时不会觉得拥挤，整体的阅读体验非常舒适。我特别喜欢它那种略带复古的质感，让我想起很多经典的技术书籍，这种用心之处往往能提升一件物品的价值感，也暗示着内容本身的严谨与深度。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我对微机电系统的认知上升到了一个全新的高度。我不再仅仅把它们看作是手机里的小零件，而是理解了它们是如何通过精密的工程设计和制造，在生命科学、航空航天、汽车工业等众多领域发挥着不可替代的作用。书中关于MEMS在生物医学领域的应用，比如微型化验平台、药物递送系统等，让我看到了科技改变生活的无限可能。同时，它也让我意识到，MEMS技术的发展并非一蹴而就，而是无数科研人员和工程师不懈努力、不断突破的结果。这本书的价值，不仅仅在于其知识的传递，更在于它所激发的那种探索未知、勇于创新的科学精神。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在相关领域摸爬滚打多年的技术人员，我深知一本高质量技术书籍的重要性。这本书的出版，对我来说，无疑是如获至宝。它不仅梳理了MEMS领域的理论基础，更在实践层面提供了宝贵的参考。书中关于失效分析和可靠性评估的部分，我感觉尤为实用。很多时候，我们能够设计出功能性的器件，但在实际应用中却因为各种原因导致性能不稳定甚至失效。这本书对这些潜在问题的分析，以及提出的解决思路，让我受益匪浅。它鼓励读者不仅仅要知其然，更要知其所以然，并在实践中不断优化和创新，这正是技术进步的核心驱动力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，与其说是学习，不如说是一次探索。在阅读过程中，我感觉自己仿佛踏上了一段旅程，从微观世界的奇妙奥秘，逐步深入到工程师们如何将这些奥秘转化为实际应用的巧妙构思。书中的案例分析部分，详细剖析了不同类型的MEMS器件，比如加速度计、陀螺仪、压力传感器，甚至是一些更前沿的微型泵和微流控芯片。作者不仅仅是描述它们的功能，更重要的是，它揭示了这些器件背后的设计理念、面临的技术挑战以及如何克服这些挑战的创新方法。我特别留意到，书中对于不同材料选择、结构优化以及工艺参数控制的讨论，都显得非常精辟，这对于我理解MEMS器件的性能限制和未来发展方向非常有启发。

评分☆☆☆☆☆

初次翻阅这本书，立刻被其详实的内容所吸引。虽然我对微机电系统（MEMS）领域并非全然陌生，但这本书所呈现的系统性与深度还是让我颇为惊喜。它不仅仅是简单地罗列概念，而是深入浅出地讲解了MEMS器件的设计、制造、封装以及测试等各个环节。从基础的物理原理，如压电效应、热胀冷缩，到各种传感器、执行器的具体工作机制，再到光刻、蚀刻等关键制造工艺的详细阐述，都力求做到严谨且易于理解。书中穿插的许多图示和流程图，极大地帮助了理解抽象的概念，使得复杂的原理变得直观起来。我尤其欣赏作者在讲解复杂概念时，所采用的比喻和类比，这让原本枯燥的技术内容变得生动有趣，仿佛在与一位经验丰富的老师对话，能够有效地引导读者一步步深入。