微機電係統原理/馬曉軍 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[韓] 李基邦 著

圖書標籤:

• 微機電係統
• MEMS
• 傳感器
• 微電子機械係統
• 原理
• 技術
• 馬曉軍
• 工程
• 電子工程
• 物理
• 應用

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齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118094329

商品編碼：1550077699

齣版時間：2014-04-01

作  者:(韓)李基邦 著作 馬曉軍//呂強//王國勝//魏曙光 譯者 定  價:180 齣 版 社:國防工業齣版社 齣版日期:2014年04月01日 裝  幀:精裝 ISBN:9787118094329 ●暫無

內容簡介

本書通過統一的方法和閉閤解析法解決微機電問題中的微機電係統原理。首先對宏觀和微觀世界的基礎無量綱參數進行瞭量綱分析，同時還介紹瞭微機電係統相關的精密加工技術。此外本書還介紹瞭靜力平衡狀態下靜力學/力學和力矩對機械結構的影響、靜態結構中的機械原理、適用於微機電係統電氣性質的電磁學基本方程以及從製動器到特殊用途的傳感器在內的微機電係統構建模塊的整閤等內容。

微機電係統：微觀世界的精密設計與廣闊應用 微機電係統（MEMS）是當今科技領域中一股不可忽視的新興力量，它將微電子製造技術與機械工程巧妙融閤，在微米甚至納米尺度上創造齣具有感知、控製、執行功能的微型器件和係統。這些肉眼難以察覺的精密裝置，正以前所未有的方式滲透到我們生活的方方麵麵，驅動著信息技術、生物醫療、航空航天、汽車工業乃至消費電子等諸多行業的深刻變革。 MEMS的興起並非偶然，而是人類對微小世界不斷探索和控製的必然結果。從20世紀60年代開始，隨著半導體技術的飛速發展，科學傢們逐漸意識到，可以將微電子製造中成熟的矽加工工藝應用到製造微型機械結構上。這一思路的突破，為MEMS的誕生奠定瞭理論基礎。早期的MEMS器件主要集中在壓力傳感器、加速度計等領域，但其巨大的潛力很快被發現。到瞭20世紀80年代和90年代，隨著材料科學、封裝技術、係統集成等相關技術的不斷進步，MEMS進入瞭快速發展期，器件種類日益豐富，性能不斷提升，應用領域也隨之拓寬。 MEMS的核心構成與工作原理 理解MEMS，首先需要把握其核心構成要素。一個典型的MEMS器件通常包含以下幾個關鍵部分： 1. 微傳感器（Microsensors）：這是MEMS係統的“感知”單元，負責將物理世界的各種信息，如壓力、溫度、加速度、位移、光、化學物質等，轉化為電信號。 MEMS傳感器之所以能在微觀尺度上實現高精度感知，得益於其對物理效應的巧妙利用。例如，壓阻式傳感器利用某些材料在受到機械應力時電阻會發生變化的特性；電容式傳感器則利用瞭微型結構之間距離變化導緻電容變化的原理；壓電效應傳感器則通過壓電材料在受力時産生電荷的特性來工作。這些微型傳感器不僅體積小巧，功耗低，而且能夠集成到芯片上，實現高密度集成和低成本製造。 2. 微驅動器（Microactuators）：這是MEMS係統的“執行”單元，負責將電信號轉化為機械運動，從而實現對外部環境的乾預或控製。 MEMS驅動器種類繁多，常見的有： 靜電驅動器：利用電場産生的庫侖力來驅動微型結構運動，如微鏡陣列中的反射鏡片，通過改變電壓來控製其傾斜角度。 壓電驅動器：利用壓電材料在外加電場作用下産生形變的特性，實現微小位移或力的輸齣，常用於微泵、微閥等。 熱驅動器：利用加熱産生的熱膨脹效應來驅動微型機械結構，如利用不同材料的熱膨脹係數差異産生彎麯。 電磁驅動器：利用電磁綫圈産生的磁場與永磁體或導電材料之間的相互作用來驅動微型結構。 MEMS驅動器能夠實現高精度、高頻率的運動控製，為微型機器人的運動、微流控係統的流體輸送等提供瞭可能。 3. 微機械結構（Micromechanical Structures）：這是MEMS器件實現其功能的物理載體，可以是梁、闆、彈簧、齒輪、腔體等各種精密的微型機械部件。這些結構的尺寸通常在微米量級，其設計和製造需要高度精確的工藝控製。例如，在慣性傳感器中，微機械結構通常是一個微小的質量塊，其在加速度作用下的位移被精確測量。在微流控芯片中，微機械結構可能構成微通道、微閥門、微泵等。 4. 微電子電路（Microelectronics Circuits）：負責對微傳感器輸齣的電信號進行處理、放大、濾波、模數轉換等操作，並將處理後的信號傳遞給微驅動器或外部係統。這部分通常采用成熟的CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）工藝製造，實現MEMS係統的高效集成和智能化控製。 5. 封裝（Packaging）：MEMS器件由於其微小的尺寸和對環境的敏感性，需要特殊的封裝技術來保護其免受汙染、機械損傷，並實現與外部電路的連接。封裝技術是MEMS器件實現可靠性和商業化的關鍵環節。 MEMS的設計與製造工藝 MEMS的設計與製造是其核心技術所在，通常需要跨越多門學科的知識和技能。 設計：MEMS的設計過程與傳統機械設計有所不同，它需要充分考慮微觀尺度下的物理效應，如錶麵效應、流體粘滯力、靜電力等。設計人員需要利用專門的CAD（Computer-Aided Design）軟件進行建模和仿真，預測器件的性能。有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是MEMS設計中常用的仿真工具。 製造工藝：MEMS的製造工藝通常藉鑒和發展瞭半導體製造技術，主要分為以下幾類： 體矽加工（Bulk Micromachining）：通過選擇性地腐蝕矽襯底材料來形成三維微結構。例如，濕法腐蝕和乾法腐蝕（如等離子體刻蝕）是常用的技術。 錶麵矽加工（Surface Micromachining）：在矽襯底上沉積一層或多層材料，然後通過刻蝕技術選擇性地移除部分材料，從而形成浮空的微機械結構。通常需要使用犧牲層（Sacrificial Layer）來支撐要形成的結構，並在後續工藝中將其去除。 LIGA（Lithographie, Galvanoformung, Abformung）工藝：這是一種結閤瞭X射綫光刻、電鑄成型和注塑成型的工藝，能夠製造齣具有高深寬比（High Aspect Ratio）的精密微結構，適用於製造微齒輪、微軸承等。 壓印光刻（Nanoimprint Lithography, NIL）：一種比傳統光刻更低成本、更高分辨率的圖案化技術，通過物理壓印將模闆上的圖案轉移到基材上。 微流控芯片製造：通常采用PDMS（聚二甲基矽氧烷）、玻璃、塑料等材料，通過軟光刻、注塑、激光燒蝕等技術製造齣微通道、微腔室等。 MEMS技術的廣泛應用領域 MEMS技術的進步正在深刻地改變著我們的世界，其應用領域可謂包羅萬象： 汽車電子：MEMS是現代汽車安全和舒適性的基石。加速度計和陀螺儀是ESP（Electronic Stability Program）和安全氣囊係統的核心組件，能夠監測車輛的運動狀態，在緊急情況下觸發安全措施。壓力傳感器用於監測胎壓、發動機油壓、進氣壓力等，提高燃油效率和安全性。 消費電子：智能手機、平闆電腦、遊戲機等設備中廣泛應用瞭MEMS傳感器。加速度計和陀螺儀用於實現屏幕自動鏇轉、動作感應遊戲、步態監測等功能。麥剋風（MEMS麥剋風）以其體積小、功耗低、性能優異的特點，正在逐漸取代傳統的駐極體電容麥剋風。 生物醫療：MEMS在醫療診斷、藥物輸送、微創手術等領域展現齣巨大的潛力。生物傳感器可以用於檢測血糖、尿酸、病毒等生物標誌物，實現早期疾病診斷。微流控芯片能夠集成復雜的生物化學反應過程，實現高效的體外診斷和藥物篩選。微型執行器則可以用於控製藥物的精確釋放，實現靶嚮治療。 航空航天：高精度、輕量化的MEMS傳感器在航空航天領域至關重要。慣性導航係統、姿態控製係統、環境監測係統等都離不開MEMS器件。例如，微型陀螺儀可以用於飛機、導彈的精確導航。 工業自動化與機器人：MEMS驅動器和傳感器為微型機器人和自動化係統的發展提供瞭核心動力。微型機器人可以用於精確的組裝、檢測、甚至微創手術。 MEMS傳感器也廣泛應用於工業設備的監測和控製，提高生産效率和安全性。 通信與光電子：MEMS技術在光通信領域也扮演著重要角色，例如MEMS可調諧濾波器、光開關等，能夠提高光網絡的靈活性和效率。微掃描鏡（Digital Micromirror Device, DMD）是投影儀的核心技術，通過成韆上萬個可獨立傾斜的微鏡來控製光綫的反射，實現高清晰度的圖像顯示。 MEMS技術的未來發展趨勢 MEMS技術仍處於蓬勃發展的階段，未來發展趨勢主要體現在以下幾個方麵： 集成化與智能化：將MEMS器件與微處理器、存儲器等集成到同一個芯片上，形成高度集成的“片上係統”（System-on-Chip, SoC），實現更強大的功能和更高的智能化水平。 微係統化：將多個MEMS器件以及相關的電子電路進行集成，形成功能更復雜、性能更強大的微係統，例如微型實驗室（Lab-on-a-chip）。 新材料與新工藝：探索和應用新型材料，如柔性材料、生物相容性材料等，以及發展更先進、更經濟的製造工藝，以拓展MEMS的應用範圍和提高器件性能。 能量收集與無綫供電：將MEMS技術與能量收集技術相結閤，實現MEMS器件的自供電，減少對外部電源的依賴，從而構建真正自主運行的微型係統。 生物MEMS與醫療應用：隨著對生命科學的深入理解，生物MEMS將迎來更廣闊的發展空間，特彆是在疾病診斷、個性化醫療、再生醫學等領域。 總而言之，微機電係統以其獨特的微觀特性和強大的功能，正在重塑我們對技術的認知和應用。它不僅是微觀工程的奇跡，更是推動社會進步的重要驅動力，其未來的發展前景無限光明，值得我們持續關注和深入探索。

評分☆☆☆☆☆

初次翻閱這本書，立刻被其詳實的內容所吸引。雖然我對微機電係統（MEMS）領域並非全然陌生，但這本書所呈現的係統性與深度還是讓我頗為驚喜。它不僅僅是簡單地羅列概念，而是深入淺齣地講解瞭MEMS器件的設計、製造、封裝以及測試等各個環節。從基礎的物理原理，如壓電效應、熱脹冷縮，到各種傳感器、執行器的具體工作機製，再到光刻、蝕刻等關鍵製造工藝的詳細闡述，都力求做到嚴謹且易於理解。書中穿插的許多圖示和流程圖，極大地幫助瞭理解抽象的概念，使得復雜的原理變得直觀起來。我尤其欣賞作者在講解復雜概念時，所采用的比喻和類比，這讓原本枯燥的技術內容變得生動有趣，仿佛在與一位經驗豐富的老師對話，能夠有效地引導讀者一步步深入。

評分☆☆☆☆☆

這本書的閱讀體驗，與其說是學習，不如說是一次探索。在閱讀過程中，我感覺自己仿佛踏上瞭一段旅程，從微觀世界的奇妙奧秘，逐步深入到工程師們如何將這些奧秘轉化為實際應用的巧妙構思。書中的案例分析部分，詳細剖析瞭不同類型的MEMS器件，比如加速度計、陀螺儀、壓力傳感器，甚至是一些更前沿的微型泵和微流控芯片。作者不僅僅是描述它們的功能，更重要的是，它揭示瞭這些器件背後的設計理念、麵臨的技術挑戰以及如何剋服這些挑戰的創新方法。我特彆留意到，書中對於不同材料選擇、結構優化以及工藝參數控製的討論，都顯得非常精闢，這對於我理解MEMS器件的性能限製和未來發展方嚮非常有啓發。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計給我留下瞭深刻的印象。封麵采用的是一種啞光質感的紙張，摸上去溫潤而細膩，色彩搭配上選擇瞭比較沉穩的深藍色與淡金色，金色的書名“微機電係統原理”在深藍的背景下顯得格外醒目，有一種低調的奢華感。封底的排版也很簡潔，隻印有齣版社的Logo和一些必要的信息，沒有過多的裝飾，顯得很專業。翻開書頁，紙張的厚度適中，手感很好，不會輕易摺損，而且印刷清晰，字跡工整，即使長時間閱讀也不會感到疲勞。每頁的留白也恰到好處，讓人在閱讀時不會覺得擁擠，整體的閱讀體驗非常舒適。我特彆喜歡它那種略帶復古的質感，讓我想起很多經典的技術書籍，這種用心之處往往能提升一件物品的價值感，也暗示著內容本身的嚴謹與深度。

評分☆☆☆☆☆

作為一名在相關領域摸爬滾打多年的技術人員，我深知一本高質量技術書籍的重要性。這本書的齣版，對我來說，無疑是如獲至寶。它不僅梳理瞭MEMS領域的理論基礎，更在實踐層麵提供瞭寶貴的參考。書中關於失效分析和可靠性評估的部分，我感覺尤為實用。很多時候，我們能夠設計齣功能性的器件，但在實際應用中卻因為各種原因導緻性能不穩定甚至失效。這本書對這些潛在問題的分析，以及提齣的解決思路，讓我受益匪淺。它鼓勵讀者不僅僅要知其然，更要知其所以然，並在實踐中不斷優化和創新，這正是技術進步的核心驅動力。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我對微機電係統的認知上升到瞭一個全新的高度。我不再僅僅把它們看作是手機裏的小零件，而是理解瞭它們是如何通過精密的工程設計和製造，在生命科學、航空航天、汽車工業等眾多領域發揮著不可替代的作用。書中關於MEMS在生物醫學領域的應用，比如微型化驗平颱、藥物遞送係統等，讓我看到瞭科技改變生活的無限可能。同時，它也讓我意識到，MEMS技術的發展並非一蹴而就，而是無數科研人員和工程師不懈努力、不斷突破的結果。這本書的價值，不僅僅在於其知識的傳遞，更在於它所激發的那種探索未知、勇於創新的科學精神。