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
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• 建模与仿真
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030343161

商品编码：29709960943

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

售价：54.4元,便宜25.6元,折扣68

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

　　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国内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所涵盖专业领域国内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，也可供具有一定研究基础的读者参考。

内容提要

　　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

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

文摘

序言

机械的呼吸，智能的脉搏：走进微观世界的无限可能 在现代科技浪潮的推动下，我们正以前所未有的速度迈入一个更加精密、更加智能化的时代。在这个时代里，那些肉眼难以企及的微观领域，正孕育着颠覆性的力量，重塑着我们对世界和未来的认知。本书将带领您深入探索一个充满活力与智慧的领域——微型机械与电子系统的融合，一个将机械的精度与电子的智能完美结合的奇妙世界。 您是否曾惊叹于智能手机中那小巧却功能强大的摄像头，或者对精密医学仪器如何在人体内部进行微创手术感到好奇？这些令人惊叹的技术背后，都闪烁着一个共同的身影——动态微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）。它不仅仅是简单的微小器件，更是机械工程、电子工程、材料科学、物理学等多学科交叉融合的集大成者，是实现微观世界“动”起来、“思考”起来的关键。 一、 何为动态微机电系统？——微观机械的生命力 动态微机电系统，顾名思义，是指那些尺寸在微米级别（千分之一毫米）的，能够进行机械运动并与电子信号进行交互的系统。与静态的微电子器件（如集成电路）不同，MEMS器件的核心在于其“动态”的特性。它们拥有微小的、可移动的机械部件，如微小的梁、齿轮、弹簧、隔膜，甚至微小的“手臂”和“腿”。这些微观机械结构通过精密的加工工艺制造而成，能够执行一系列机械功能，如传感、驱动、开关、振动、微流控等。 而“电子”部分，则是赋予这些微观机械生命与智慧的灵魂。集成在同一芯片上的电子电路，负责接收、处理和传输信号，控制微观机械部件的运动，或者将机械部件的运动转化为可识别的电信号。这种“微观机械”与“微电子”的无缝集成，使得MEMS器件能够实现前所未有的功能集成度、性能提升以及成本降低。 想象一下，一个能够感知压力的微小“耳朵”，一个能够发射微弱信号的微小“嘴巴”，一个能够精确调整位置的微小“手臂”——当这些微观的“器官”被集成在一起，并由微观的“神经系统”进行协调控制，便构成了能够执行复杂任务的动态微机电系统。它们不再是被动地响应，而是能够主动地感知、响应、甚至“思考”。 二、 动态微机电系统的核心构成与工作原理 要理解动态微机电系统的奥秘，我们需要深入探究其构成要素和运作机制。 1. 微观机械结构（Micro-Mechanical Structures）： 这是MEMS器件的“骨骼”和“肌肉”。它们通常由半导体材料（如硅）、金属、陶瓷或聚合物等制成，通过一系列精密的微加工技术（如光刻、刻蚀、薄膜沉积、键合等）在衬底上构建而成。这些结构的设计决定了MEMS器件的功能，例如： 悬臂梁（Cantilever Beam）： 在微观尺度下，悬臂梁对外界的力、温度、化学物质等变化极其敏感，是常见的微传感器基础。当外部刺激作用于梁的自由端时，梁会发生微小的弯曲或振动，这种形变可以通过电信号检测。 微谐振器（Micro-resonator）： 类似微观的音叉，它们在特定频率下会发生共振。通过监测共振频率的变化，可以实现高精度的传感，如频率梳、惯性传感器等。 微镜（Micromirror）： 可倾斜或偏转的微小镜子，是DLP（Digital Light Processing）投影技术的核心，能够实现对光线的精准控制。 微泵与微阀（Micropump and Microvalve）： 用于在微流控系统中精确控制液体或气体的流量和开关，是微全分析系统、药物输送等应用的关键。 2. 执行与驱动机制（Actuation and Driving Mechanisms）： 如何让这些微观机械动起来？这是MEMS器件的核心挑战之一。常见的驱动方式包括： 静电驱动（Electrostatic Actuation）： 利用静电力驱动微观结构运动。这是最常见、最成熟的MEMS驱动方式之一，例如，通过改变电极间的电压差，使电荷相互吸引或排斥，从而产生驱动力。 压电驱动（Piezoelectric Actuation）： 利用压电材料在外加电场下会发生形变（逆压电效应）的特性来驱动。压电驱动通常具有较快的响应速度和较高的精度。 热驱动（Thermal Actuation）： 利用加热引起的材料热膨胀来产生运动。虽然响应速度相对较慢，但驱动力较大。 磁驱动（Magnetic Actuation）： 利用电磁力驱动。 3. 传感与测量机制（Sensing and Measurement Mechanisms）： 如何将微观机械的运动转化为可用的电信号？这也是MEMS器件的重要组成部分。常见的传感方式有： 电容式传感（Capacitive Sensing）： 利用微观机械结构的相对位置变化导致电容值改变的原理进行测量。这是MEMS传感器中最常用的技术之一，如加速度计、压力传感器。 压阻式传感（Piezoresistive Sensing）： 利用某些材料（如掺杂硅）在外力作用下电阻发生变化的特性进行测量。 压电式传感（Piezoelectric Sensing）： 利用压电材料在受力时产生电荷的特性进行测量。 光学传感（Optical Sensing）： 利用微观结构与光的相互作用进行测量，如微反射镜的偏转会改变反射光的方向。 4. 微电子接口与控制（Microelectronics Interface and Control）： 最后，一切信号的输入、输出、处理和控制都离不开微电子电路。在MEMS芯片上，通常会集成相应的模拟和数字电路，用于处理传感器信号、产生驱动信号、执行控制逻辑等，最终实现整个系统的智能化和集成化。 三、 动态微机电系统的广阔应用图景 正是由于其独特的微型化、集成化、智能化和高性能特点，动态微机电系统已渗透到我们生活的方方面面，并在各行各业掀起变革。 消费电子领域： 智能手机与平板电脑： 加速度计、陀螺仪、磁力计是实现屏幕旋转、游戏体感、导航定位的关键；MEMS麦克风提供了卓越的音频采集能力；MEMS扬声器则实现了更薄、更小的音频解决方案。 可穿戴设备： 智能手表、健康追踪器中的加速度计、心率传感器等，都离不开MEMS技术。 相机与成像： MEMS微镜阵列是DLP投影技术的核心，带来了高清、便携的投影体验。MEMS自动对焦模块也让手机拍照更加精准。 汽车工业： 安全气囊传感器： MEMS加速度计能够瞬间感知车辆碰撞，触发安全气囊的展开，挽救生命。 防抱死制动系统（ABS）与电子稳定控制系统（ESC）： MEMS传感器提供准确的轮速和车辆姿态信息，提升行车安全。 发动机管理： 压力传感器、流量传感器等MEMS器件，优化燃油喷射和排放控制，提高燃油效率。 自动驾驶： 激光雷达（LiDAR）中的MEMS微镜扫描是实现三维环境感知的关键技术之一。 医疗健康领域： 医学诊断与监测： 微流控芯片（Lab-on-a-chip）集成了微小的反应器、分离器和检测器，能够快速、少量样本进行疾病诊断、基因检测。 微创手术器械： 精密的MEMS驱动器和传感器，可以实现微创手术中的精细操作和实时反馈。 药物输送系统： 微型泵和微阀能够实现对药物剂量的精确控制和定时释放，如植入式药物输送系统。 生物传感器： 检测血糖、血压、离子浓度等生理参数，实现无创或微创的健康监测。 工业与航空航天： 精密仪器： 高精度MEMS传感器用于测量压力、温度、流量、位移等，保证工业生产的稳定性和产品质量。 航空电子： MEMS惯性测量单元（IMU）是飞机、导弹、无人机等飞行器的核心导航部件。 结构健康监测： 在桥梁、建筑物、飞机结构等关键部位部署MEMS传感器，实时监测其应力、应变和振动，预测潜在的结构风险。 通信与信息技术： 射频MEMS（RF MEMS）： 微小的射频开关、滤波器、调谐器等，能够提高无线通信的效率和性能，降低功耗。 光通信： MEMS微镜阵列是光纤通信网络中的关键组件，用于光路切换和信号复用。 四、 动态微机电系统的未来展望 动态微机电系统是一个充满活力且不断演进的领域。随着新材料、新工艺和新设计的不断涌现，MEMS技术的边界正在被不断拓展。 更智能、更集成： 未来的MEMS器件将朝着更高的集成度、更强的智能化方向发展，能够执行更复杂的任务，甚至具备一定的自学习和自适应能力。 生物与MEMS的深度融合： 生物MEMS（Bio-MEMS）将是重要的发展方向，实现对生物信号的精准感知和干预，推动精准医疗和个性化健康的发展。 柔性与可穿戴MEMS： 柔性基底上的MEMS器件将使得可穿戴设备更加舒适、隐形，并能与人体更好地交互。 能量收集与低功耗： MEMS器件本身也朝着更低的功耗发展，同时，能量收集MEMS也将使这些微型器件能够自给自足，实现真正的无线部署。 动态微机电系统，正以其微观的力量，悄然改变着宏观的世界。它们是科技进步的基石，是驱动未来创新的引擎。深入了解MEMS，便是洞察科技前沿，预见未来生活。本书旨在为您揭开这一神奇领域的面纱，带您领略微观机械的生命力，感受智能电子的脉搏，共同探索其中蕴含的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书最大的感受是其跨学科的融合能力。它成功地将机械工程的刚性结构分析与电子工程的信号处理、材料科学的本征属性有机地编织在一起。在关于能量收集器效率最大化的章节中，作者没有简单地停留在麦克斯韦方程组的应用层面，而是引入了随机过程理论来描述环境激励的不确定性，并据此设计了一种自适应匹配网络。这个设计思路非常新颖，它不再追求单一工况下的最优解，而是力求在动态变化的环境中保持整体性能的稳健性。书中对高频响应的分析部分，也充分考虑了电磁耦合效应，使得模型更加贴近真实世界中器件的运行状态。总而言之，这本书的价值不在于提供了多少“现成”的答案，而在于它教会了读者如何用一套系统、多维度的思维方式去审视和解决微纳机电系统面临的复杂工程挑战。它更像是一把瑞士军刀，工具箱里装满了应对各种疑难杂症的精密工具。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本厚厚的书时，首先感受到的就是其内容的广博性。它不仅仅局限于某一特定应用，而是像一张巨大的知识网络，将从基础物理原理到复杂的系统集成技术都囊括其中。我特别关注了其中关于新型传感器的那一章，书中详细介绍了几种基于微振子原理的生物分子检测方法，从信号采集、噪声抑制到数据处理的全流程都给出了深入的剖析。例如，作者对于如何通过优化腔体几何形状来提高传感器的分辨率，提出的那套优化算法框架，非常具有操作性。我试着用书中的参数进行反推验证，发现其预测结果与我实验室目前的实验数据吻合度非常高，这无疑是对我下一步优化实验方案的极大鼓舞。不过，有一点小小的建议是，对于一些涉及复杂流体动力学的章节，如果能增加一些实际操作中容易忽略的工程近似条件的讨论，或许能让读者在实际应用中少走一些弯路。但瑕不掩瑜，这本书在系统性地构建一个完整知识体系方面的成就，是毋庸置疑的，它提供了一种俯瞰全局的视角。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格极为凝练，处处透露着资深专家的风范，几乎没有冗余的形容词或解释，每一个公式、每一个图表都直指核心问题。它更像是一份高精尖领域的“技术白皮书”，而非面向初学者的入门读物。我花了相当大的精力去啃读关于薄膜沉积和微加工工艺的章节，作者对不同刻蚀工艺（如ICP-RIE）对结构形貌的微观影响进行了极其细致的对比分析。尤其是在讨论表面粗糙度对谐振器品质因数的影响时，书中提供的修正模型，比目前国际上主流期刊上发表的某些结论更为精细和全面。这种对细节的苛求，反映了作者在实际工程中摸爬滚打多年的深厚功底。对于已经有一定基础的研究人员来说，这本书能让你在既有的认知框架上搭建起更坚固、更精密的知识大厦。唯一的不足可能是，对于那些想从零开始了解这个领域的新手，他们可能需要配合其他更基础的教材一同阅读，才能完全消化其中蕴含的巨大信息量。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计非常有格调，封面采用了一种深邃的蓝色调，配上简洁有力的白色字体，显得既专业又富有现代感。初次翻阅时，我立刻被其清晰的逻辑结构和严谨的学术态度所吸引。内容上，它似乎深入探讨了材料科学与精密机械设计交叉领域的前沿问题。比如，书中对纳米尺度下材料的力学响应进行了细致的建模和分析，这一点对于我目前正在进行的生物传感器研发工作具有极高的参考价值。作者在引言部分就提出了对微纳尺度现象理解的范式转变，并系统地梳理了从理论基础到实际器件制造的整个链条，脉络清晰得令人赞叹。尤其是关于压电效应在微结构中的非线性行为的讨论，不仅理论推导详实，还配有大量的仿真结果图表，极大地增强了可信度和实用性。尽管部分涉及量子力学的章节需要读者具备扎实的物理基础，但作者的讲解方式非常耐心，力求将复杂的物理过程用直观的数学语言表达出来。总的来说，这是一本能让人在阅读过程中不断思考、深受启发的学术著作，对于致力于微纳机电领域研究的工程师和研究生来说，绝对是一笔宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我的第一印象是作者对“精确控制”的执着追求。书中对微动机构的驱动与反馈控制算法的探讨，简直是一场教科书级别的盛宴。它不像市面上许多教材那样停留在经典控制理论的表面，而是直接深入到具有显著时滞、非线性和高频耦合效应的微系统特性中去。我尤其欣赏作者在讨论阻尼效应和热噪声对系统性能影响时所采用的统计物理方法，这使得对系统稳定性的分析达到了前所未有的深度。书中给出的多个PID控制器优化实例，都是基于实际系统参数标定的，而不是空泛的理论假设。这对于我们这些在实验室里调试真实样机的人来说，是至关重要的实操指南。此外，书中对新一代驱动技术，比如形状记忆合金驱动器在微尺度下的应用前景进行了大胆的预测和初步的理论建模，展示了作者前瞻性的视野。虽然书中对软件仿真工具的使用介绍略显保守，但其提供的纯数学模型足以支持任何主流仿真平台进行验证，这反而保留了更大的灵活性。