動態微機電係統——理論與應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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何廣平 著

圖書標籤:

• 微機電係統
• MEMS
• 動態特性
• 建模與仿真
• 傳感器
• 執行器
• 控製
• 理論分析
• 應用案例
• 機械工程
• 電子工程

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030343161

商品編碼：29709960943

包裝：平裝

齣版時間：2012-06-01

基本信息

書名:動態微機電係統——理論與應用

定價：80.00元

售價：54.4元,便宜25.6元,摺扣68

作者:何廣平

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2012-06-01

ISBN：9787030343161

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.558kg

編輯推薦

　　本書以動態MEMS為主要對象，從功能材料的製備、設計方法、製造工藝與失效模式分析、建模與控製方法以及係統應用的角度，較深入地介紹瞭當前國內外的一些主要研究成果。本書主要內容取材於作者所在課題組近年來的一些科研成果，同時也對動態MEMS所涵蓋專業領域國內外的主流前沿技術進行係統歸納，使讀者能在較短時間內對動態MEMS的主要技術領域和前沿研究方嚮有所瞭解，並從中選擇自己感興趣的主題進一步開展研究。本書內容安排力求深入淺齣，引文詳實豐富，適閤作為初涉本領域的研究生教材，也可供具有一定研究基礎的讀者參考。

內容提要

　　本書以動態微機電係統（MEMS）為主要對象，介紹其相關的功能材料、設計方法、製造工藝以及控製方法。全書共6章，主要內容包括：動態MEMS主要技術領域的簡況；動態MEMS中常用的功能材料及其製備方法；動態MEMS器件的主要設計方法及其發展現狀；動態MEMS的製造工藝，常見失效模式及其剋服方法；動態MEMS的控製理論基礎、控製技術及其發展現狀、控製實驗方法等方麵的論述；典型動態MEMS係統剖析。《動態微機電係統》可供材料類、機電工程類、自動控製類、儀器科學類等相關專業的高年級本科生和研究生作為教材使用，也可供從事MEMS功能材料、MEMS器件設計、MEMS製造工藝和MEMS控製技術研究的科技人員參考。

目錄

前言章 緒論 1.1 引言 1.2 MEMS的基本特徵和主要技術領域 1.3 動態MEMS中的常用材料 1.4 動態MEMS的設計方法簡介 1.5 動態MEMS的製造技術簡介 1.6 動態MEMS的控製技術及其發展概況 1.7 MEMS的應用前景 參考文獻第2章 動態MEMS中的功能材料與製備方法 2.1 引言 2.2 動態MEMS壓電材料 2.3 動態MEMS磁緻伸縮材料 2.4 動態MEMS形狀記憶閤金材料 2.5 動態MEMS智能高分子材料 參考文獻第3章 動態MEMS的設計理論與設計方法 3.1 引言 3.2 分布式全柔性微機構的拓撲優化設計方法 3.3 動態MEMS的可靠性設計方法 3.4 電熱微緻動器的魯棒優化設計 3.5 可變電容靜電微電機的優化設計 3.6 動態MEMS設計理論的發展展望 參考文獻第4章 動態MEMS的製造技術 4.1 MEMS的製造技術簡介 4.2 薄膜材料製備技術 4.3 光刻技術 4.4 刻蝕技術 4.5 鍵閤工藝技術 4.6 MEMS製造中常見的失效模式與防止方法 參考文獻第5章 動態MEMS的建模與控製技術 5.1 引言 5.2 典型動態MEMS的動力學模型 5.3 動態MEMS的非綫性特徵及其應用 5.4 動態MEMS控製技術的理論基礎 5.5 動態MEMS的控製器設計 5.6 動態MEMS的控製技術實驗方法 參考文獻第6章 典型動態MEMS剖析 6.1 壓電微緻動器的電荷驅動控製 6.2 壓電微電機 6.3 鏇轉式靜電微緻動器 6.4 PZT微緻動器的製備 參考文獻

作者介紹

文摘

序言

機械的呼吸，智能的脈搏：走進微觀世界的無限可能 在現代科技浪潮的推動下，我們正以前所未有的速度邁入一個更加精密、更加智能化的時代。在這個時代裏，那些肉眼難以企及的微觀領域，正孕育著顛覆性的力量，重塑著我們對世界和未來的認知。本書將帶領您深入探索一個充滿活力與智慧的領域——微型機械與電子係統的融閤，一個將機械的精度與電子的智能完美結閤的奇妙世界。 您是否曾驚嘆於智能手機中那小巧卻功能強大的攝像頭，或者對精密醫學儀器如何在人體內部進行微創手術感到好奇？這些令人驚嘆的技術背後，都閃爍著一個共同的身影——動態微機電係統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）。它不僅僅是簡單的微小器件，更是機械工程、電子工程、材料科學、物理學等多學科交叉融閤的集大成者，是實現微觀世界“動”起來、“思考”起來的關鍵。 一、 何為動態微機電係統？——微觀機械的生命力 動態微機電係統，顧名思義，是指那些尺寸在微米級彆（韆分之一毫米）的，能夠進行機械運動並與電子信號進行交互的係統。與靜態的微電子器件（如集成電路）不同，MEMS器件的核心在於其“動態”的特性。它們擁有微小的、可移動的機械部件，如微小的梁、齒輪、彈簧、隔膜，甚至微小的“手臂”和“腿”。這些微觀機械結構通過精密的加工工藝製造而成，能夠執行一係列機械功能，如傳感、驅動、開關、振動、微流控等。 而“電子”部分，則是賦予這些微觀機械生命與智慧的靈魂。集成在同一芯片上的電子電路，負責接收、處理和傳輸信號，控製微觀機械部件的運動，或者將機械部件的運動轉化為可識彆的電信號。這種“微觀機械”與“微電子”的無縫集成，使得MEMS器件能夠實現前所未有的功能集成度、性能提升以及成本降低。 想象一下，一個能夠感知壓力的微小“耳朵”，一個能夠發射微弱信號的微小“嘴巴”，一個能夠精確調整位置的微小“手臂”——當這些微觀的“器官”被集成在一起，並由微觀的“神經係統”進行協調控製，便構成瞭能夠執行復雜任務的動態微機電係統。它們不再是被動地響應，而是能夠主動地感知、響應、甚至“思考”。 二、 動態微機電係統的核心構成與工作原理 要理解動態微機電係統的奧秘，我們需要深入探究其構成要素和運作機製。 1. 微觀機械結構（Micro-Mechanical Structures）： 這是MEMS器件的“骨骼”和“肌肉”。它們通常由半導體材料（如矽）、金屬、陶瓷或聚閤物等製成，通過一係列精密的微加工技術（如光刻、刻蝕、薄膜沉積、鍵閤等）在襯底上構建而成。這些結構的設計決定瞭MEMS器件的功能，例如： 懸臂梁（Cantilever Beam）： 在微觀尺度下，懸臂梁對外界的力、溫度、化學物質等變化極其敏感，是常見的微傳感器基礎。當外部刺激作用於梁的自由端時，梁會發生微小的彎麯或振動，這種形變可以通過電信號檢測。 微諧振器（Micro-resonator）： 類似微觀的音叉，它們在特定頻率下會發生共振。通過監測共振頻率的變化，可以實現高精度的傳感，如頻率梳、慣性傳感器等。 微鏡（Micromirror）： 可傾斜或偏轉的微小鏡子，是DLP（Digital Light Processing）投影技術的核心，能夠實現對光綫的精準控製。 微泵與微閥（Micropump and Microvalve）： 用於在微流控係統中精確控製液體或氣體的流量和開關，是微全分析係統、藥物輸送等應用的關鍵。 2. 執行與驅動機製（Actuation and Driving Mechanisms）： 如何讓這些微觀機械動起來？這是MEMS器件的核心挑戰之一。常見的驅動方式包括： 靜電驅動（Electrostatic Actuation）： 利用靜電力驅動微觀結構運動。這是最常見、最成熟的MEMS驅動方式之一，例如，通過改變電極間的電壓差，使電荷相互吸引或排斥，從而産生驅動力。 壓電驅動（Piezoelectric Actuation）： 利用壓電材料在外加電場下會發生形變（逆壓電效應）的特性來驅動。壓電驅動通常具有較快的響應速度和較高的精度。 熱驅動（Thermal Actuation）： 利用加熱引起的材料熱膨脹來産生運動。雖然響應速度相對較慢，但驅動力較大。 磁驅動（Magnetic Actuation）： 利用電磁力驅動。 3. 傳感與測量機製（Sensing and Measurement Mechanisms）： 如何將微觀機械的運動轉化為可用的電信號？這也是MEMS器件的重要組成部分。常見的傳感方式有： 電容式傳感（Capacitive Sensing）： 利用微觀機械結構的相對位置變化導緻電容值改變的原理進行測量。這是MEMS傳感器中最常用的技術之一，如加速度計、壓力傳感器。 壓阻式傳感（Piezoresistive Sensing）： 利用某些材料（如摻雜矽）在外力作用下電阻發生變化的特性進行測量。 壓電式傳感（Piezoelectric Sensing）： 利用壓電材料在受力時産生電荷的特性進行測量。 光學傳感（Optical Sensing）： 利用微觀結構與光的相互作用進行測量，如微反射鏡的偏轉會改變反射光的方嚮。 4. 微電子接口與控製（Microelectronics Interface and Control）： 最後，一切信號的輸入、輸齣、處理和控製都離不開微電子電路。在MEMS芯片上，通常會集成相應的模擬和數字電路，用於處理傳感器信號、産生驅動信號、執行控製邏輯等，最終實現整個係統的智能化和集成化。 三、 動態微機電係統的廣闊應用圖景 正是由於其獨特的微型化、集成化、智能化和高性能特點，動態微機電係統已滲透到我們生活的方方麵麵，並在各行各業掀起變革。 消費電子領域： 智能手機與平闆電腦： 加速度計、陀螺儀、磁力計是實現屏幕鏇轉、遊戲體感、導航定位的關鍵；MEMS麥剋風提供瞭卓越的音頻采集能力；MEMS揚聲器則實現瞭更薄、更小的音頻解決方案。 可穿戴設備： 智能手錶、健康追蹤器中的加速度計、心率傳感器等，都離不開MEMS技術。 相機與成像： MEMS微鏡陣列是DLP投影技術的核心，帶來瞭高清、便攜的投影體驗。MEMS自動對焦模塊也讓手機拍照更加精準。 汽車工業： 安全氣囊傳感器： MEMS加速度計能夠瞬間感知車輛碰撞，觸發安全氣囊的展開，挽救生命。 防抱死製動係統（ABS）與電子穩定控製係統（ESC）： MEMS傳感器提供準確的輪速和車輛姿態信息，提升行車安全。 發動機管理： 壓力傳感器、流量傳感器等MEMS器件，優化燃油噴射和排放控製，提高燃油效率。 自動駕駛： 激光雷達（LiDAR）中的MEMS微鏡掃描是實現三維環境感知的關鍵技術之一。 醫療健康領域： 醫學診斷與監測： 微流控芯片（Lab-on-a-chip）集成瞭微小的反應器、分離器和檢測器，能夠快速、少量樣本進行疾病診斷、基因檢測。 微創手術器械： 精密的MEMS驅動器和傳感器，可以實現微創手術中的精細操作和實時反饋。 藥物輸送係統： 微型泵和微閥能夠實現對藥物劑量的精確控製和定時釋放，如植入式藥物輸送係統。 生物傳感器： 檢測血糖、血壓、離子濃度等生理參數，實現無創或微創的健康監測。 工業與航空航天： 精密儀器： 高精度MEMS傳感器用於測量壓力、溫度、流量、位移等，保證工業生産的穩定性和産品質量。 航空電子： MEMS慣性測量單元（IMU）是飛機、導彈、無人機等飛行器的核心導航部件。 結構健康監測： 在橋梁、建築物、飛機結構等關鍵部位部署MEMS傳感器，實時監測其應力、應變和振動，預測潛在的結構風險。 通信與信息技術： 射頻MEMS（RF MEMS）： 微小的射頻開關、濾波器、調諧器等，能夠提高無綫通信的效率和性能，降低功耗。 光通信： MEMS微鏡陣列是光縴通信網絡中的關鍵組件，用於光路切換和信號復用。 四、 動態微機電係統的未來展望 動態微機電係統是一個充滿活力且不斷演進的領域。隨著新材料、新工藝和新設計的不斷湧現，MEMS技術的邊界正在被不斷拓展。 更智能、更集成： 未來的MEMS器件將朝著更高的集成度、更強的智能化方嚮發展，能夠執行更復雜的任務，甚至具備一定的自學習和自適應能力。 生物與MEMS的深度融閤： 生物MEMS（Bio-MEMS）將是重要的發展方嚮，實現對生物信號的精準感知和乾預，推動精準醫療和個性化健康的發展。 柔性與可穿戴MEMS： 柔性基底上的MEMS器件將使得可穿戴設備更加舒適、隱形，並能與人體更好地交互。 能量收集與低功耗： MEMS器件本身也朝著更低的功耗發展，同時，能量收集MEMS也將使這些微型器件能夠自給自足，實現真正的無綫部署。 動態微機電係統，正以其微觀的力量，悄然改變著宏觀的世界。它們是科技進步的基石，是驅動未來創新的引擎。深入瞭解MEMS，便是洞察科技前沿，預見未來生活。本書旨在為您揭開這一神奇領域的麵紗，帶您領略微觀機械的生命力，感受智能電子的脈搏，共同探索其中蘊含的無限可能。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我的第一印象是作者對“精確控製”的執著追求。書中對微動機構的驅動與反饋控製算法的探討，簡直是一場教科書級彆的盛宴。它不像市麵上許多教材那樣停留在經典控製理論的錶麵，而是直接深入到具有顯著時滯、非綫性和高頻耦閤效應的微係統特性中去。我尤其欣賞作者在討論阻尼效應和熱噪聲對係統性能影響時所采用的統計物理方法，這使得對係統穩定性的分析達到瞭前所未有的深度。書中給齣的多個PID控製器優化實例，都是基於實際係統參數標定的，而不是空泛的理論假設。這對於我們這些在實驗室裏調試真實樣機的人來說，是至關重要的實操指南。此外，書中對新一代驅動技術，比如形狀記憶閤金驅動器在微尺度下的應用前景進行瞭大膽的預測和初步的理論建模，展示瞭作者前瞻性的視野。雖然書中對軟件仿真工具的使用介紹略顯保守，但其提供的純數學模型足以支持任何主流仿真平颱進行驗證，這反而保留瞭更大的靈活性。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書最大的感受是其跨學科的融閤能力。它成功地將機械工程的剛性結構分析與電子工程的信號處理、材料科學的本徵屬性有機地編織在一起。在關於能量收集器效率最大化的章節中，作者沒有簡單地停留在麥剋斯韋方程組的應用層麵，而是引入瞭隨機過程理論來描述環境激勵的不確定性，並據此設計瞭一種自適應匹配網絡。這個設計思路非常新穎，它不再追求單一工況下的最優解，而是力求在動態變化的環境中保持整體性能的穩健性。書中對高頻響應的分析部分，也充分考慮瞭電磁耦閤效應，使得模型更加貼近真實世界中器件的運行狀態。總而言之，這本書的價值不在於提供瞭多少“現成”的答案，而在於它教會瞭讀者如何用一套係統、多維度的思維方式去審視和解決微納機電係統麵臨的復雜工程挑戰。它更像是一把瑞士軍刀，工具箱裏裝滿瞭應對各種疑難雜癥的精密工具。

評分☆☆☆☆☆

我拿到這本厚厚的書時，首先感受到的就是其內容的廣博性。它不僅僅局限於某一特定應用，而是像一張巨大的知識網絡，將從基礎物理原理到復雜的係統集成技術都囊括其中。我特彆關注瞭其中關於新型傳感器的那一章，書中詳細介紹瞭幾種基於微振子原理的生物分子檢測方法，從信號采集、噪聲抑製到數據處理的全流程都給齣瞭深入的剖析。例如，作者對於如何通過優化腔體幾何形狀來提高傳感器的分辨率，提齣的那套優化算法框架，非常具有操作性。我試著用書中的參數進行反推驗證，發現其預測結果與我實驗室目前的實驗數據吻閤度非常高，這無疑是對我下一步優化實驗方案的極大鼓舞。不過，有一點小小的建議是，對於一些涉及復雜流體動力學的章節，如果能增加一些實際操作中容易忽略的工程近似條件的討論，或許能讓讀者在實際應用中少走一些彎路。但瑕不掩瑜，這本書在係統性地構建一個完整知識體係方麵的成就，是毋庸置疑的，它提供瞭一種俯瞰全局的視角。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計非常有格調，封麵采用瞭一種深邃的藍色調，配上簡潔有力的白色字體，顯得既專業又富有現代感。初次翻閱時，我立刻被其清晰的邏輯結構和嚴謹的學術態度所吸引。內容上，它似乎深入探討瞭材料科學與精密機械設計交叉領域的前沿問題。比如，書中對納米尺度下材料的力學響應進行瞭細緻的建模和分析，這一點對於我目前正在進行的生物傳感器研發工作具有極高的參考價值。作者在引言部分就提齣瞭對微納尺度現象理解的範式轉變，並係統地梳理瞭從理論基礎到實際器件製造的整個鏈條，脈絡清晰得令人贊嘆。尤其是關於壓電效應在微結構中的非綫性行為的討論，不僅理論推導詳實，還配有大量的仿真結果圖錶，極大地增強瞭可信度和實用性。盡管部分涉及量子力學的章節需要讀者具備紮實的物理基礎，但作者的講解方式非常耐心，力求將復雜的物理過程用直觀的數學語言錶達齣來。總的來說，這是一本能讓人在閱讀過程中不斷思考、深受啓發的學術著作，對於緻力於微納機電領域研究的工程師和研究生來說，絕對是一筆寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書的行文風格極為凝練，處處透露著資深專傢的風範，幾乎沒有冗餘的形容詞或解釋，每一個公式、每一個圖錶都直指核心問題。它更像是一份高精尖領域的“技術白皮書”，而非麵嚮初學者的入門讀物。我花瞭相當大的精力去啃讀關於薄膜沉積和微加工工藝的章節，作者對不同刻蝕工藝（如ICP-RIE）對結構形貌的微觀影響進行瞭極其細緻的對比分析。尤其是在討論錶麵粗糙度對諧振器品質因數的影響時，書中提供的修正模型，比目前國際上主流期刊上發錶的某些結論更為精細和全麵。這種對細節的苛求，反映瞭作者在實際工程中摸爬滾打多年的深厚功底。對於已經有一定基礎的研究人員來說，這本書能讓你在既有的認知框架上搭建起更堅固、更精密的知識大廈。唯一的不足可能是，對於那些想從零開始瞭解這個領域的新手，他們可能需要配閤其他更基礎的教材一同閱讀，纔能完全消化其中蘊含的巨大信息量。