微电子机械加工系统(MEMS)技术基础孙以材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

孙以材，庞冬青著 著

图书标签:

• MEMS
• 微电子机械系统
• 微加工
• 传感器
• MEMS技术
• 孙以材
• 机械工程
• 电子工程
• 集成电路
• 微纳技术

店铺： 诗书雅韵图书专营店

出版社： 冶金工业出版社

ISBN：9787502447946

商品编码：29665011947

包装：平装

出版时间：2009-03-01

基本信息

书名：微电子机械加工系统(MEMS)技术基础孙以材

定价：26.00元

作者：孙以材,庞冬青著

出版社：冶金工业出版社

出版日期：2009-03-01

ISBN：9787502447946

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：大32开

商品重量：0.182kg

编辑推荐

---

本书着重于MEMS元件设计中的有限元静电场和电流场，温度场，MEMS元件各向同性应力场和各向异性应变分析及压电效应介绍。本书重点还放在MEMS元件制造，包括硅片腐蚀加工和硅片键合，封装和引线。编者在上述各方面曾作过许多研究，完成多项科研任务，有的经验和收获。

内容提要

---

MEMS技术是21世纪发展的重大技术，涉及国防、航天、医疗等领域。本书以各种微型阀、微型泵、微型马达、压电元器件的制造为目的，阐述其功能，所依据的物理原理及定律。本书还详细介绍了电学，热学和力学有限元方法的要领，相关软件的使用及硅片的加工处理方法。阅读本书，可以为MEMS元件的设计和制造打下较好的基础，从而可以灵活应用所学知识。
本书可供国防、航天、医疗等专业的技术人员阅读，也可供大专院校有关专业师生参考。

目录

---

1 静电场数值计算有限元方法
1.1 静电场中重要定律和方程
1.1.1 欧姆定律
1.1.2 奥-高定律
1.1.3 静电场中的泊松（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 静电场能量
1.2 变分原理与泛函
1.2.1 变分原理与泛函
1.2.2 场域中存在电荷时泛函L（φ）
1.3 静电场有限元法的计算过程
1.3.1 场域的剖分与函数的近似表示
1.3.2 泛函的计算过程
1.3.3 综合方程的系数矩阵形式
1.4 静电场有限元数值计算在电流场电势分析中的应用实例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 计算结果
2 应力场数值计算有限元方法
2.1 有限元应力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的输入信息
2.1.3 应力分析的输出信息
2.1.4 图形输出
2.1.5 总评
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS软件在硅岛膜电容式MEMS压力传感器设计中的应用
2.2.1 ANSYS力学分析步骤
2.2.2 问题的提出
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS弹性膜的二维有限元应力计算原理
2.3.1 弹性膜的有限元剖分
2.3.2 虚功原理的应用
2.3.3 单元刚度方程与整体刚度方程
2.3.4 整体刚度方程的求解
2.3.5 弹性膜应力分布有限元法计算结果
2.4 压力传感器三维有限元法应力计算简介
2.4.1 单元的选择与形变自由度
2.4.2 用结点位移表示单元中任何一点位移
2.4.3 单元刚度矩阵
2.4.4 总体刚度方程
2.4.5 计算结果
2.5 高温压力传感器热模拟
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作为绝缘层时的比较
2.5.3 散热层不同厚度时衬底温度的比较
2.5.4 散热层不同厚度时电阻中心点温度的比较
2.6 受径向力圆环中正应力的周向分布规律及其应力计算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推导正应力的周向分布规律
2.6.3 力的平衡条件
2.6.4 利用力矩平衡条件决定A值
2.6.5 计算结果
2.7 MEMS单晶元件各向异性正应变的计算
2.7.1 概述
2.7.2 在单轴应力下，进行X射线衍射实验测量
2.7.3 正应力作用下晶面正应变机理
2.7.4 不同晶向正应变与正应力间的关系
3 硅MEMS元件的化学腐蚀微机械加工
3.1 概况
3.2 湿化学腐蚀
3.2.1 电化学腐蚀机理
3.2.2 影响腐蚀速率的因素
3.2.3 阳极腐蚀法
3.2.4 凸角腐蚀及其补偿
3.2.5 无掩膜KOH腐蚀技术
3.2.6 各向异性腐蚀过程计算机模拟
3.2.7 腐蚀过程的几何分析
3.2.8 二维腐蚀过程计算机模拟
3.2.9 三维腐蚀过程计算机模拟
3.3 微电子机械元件的压力腔腐蚀工艺
3.3.1 常用腐蚀液及其特性
3.3.2 硅杯压力腔口掩膜尺寸设计
3.3.3 适合腐蚀法制备弹性膜的外延结构
3.3.4 KOH各向异性腐蚀制作近似圆形膜技术
3.3.5 各向异性腐蚀设备
3.3.6 简易双面对准技术
3.4 表面微机械加工——牺牲层技术
3.5 等离子体刻蚀技术在微细图形加工中的应用
3.6 微细电化学加工技术
3.6.1 微细电铸
3.6.2 微细电解加工
4 MEMS系统的封装
4.1 MEMS系统的封装意义及要求
4.1.1 封装的作用与意义
4.1.2 MEMS封装设计中需要考虑的重要问题
4.1.3 封装结构及封装材料
4.1.4 接口问题
4.1.5 封装外壳设计
4.1.6 热设计
4.1.7 封装过程引起的可靠性问题
4.1.8 封装成本
4.2 焊球栅阵列倒装芯片封装技术
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏结
4.3.2 共晶键合
4.3.3 阳极键合
4.3.4 冷焊
4.3.5 钎焊
4.3.6 硅-硅直接键合
4.3.7 玻璃密封
4.4 硅片与硅片低温直接键合
4.4.1 各种硅-硅直接键合法
4.4.2 硅-硅酸钠-硅低温直接键合过程
4.4.3 影响键合质量的因素
4.4.4 质量检测方法
4.5 封接材料的性质
5 微电子机械元件的引线
5.1 MEMS元件的引线键合
5.1.1 引线的作用
5.1.2 对键合引线材料的要求
5.1.3 MEMS元件中应用的引线键合工艺
5.2 MEMS系统压力传感器的引线键合工艺
5.2.1 超声键合设备
5.3 引线的可靠性与可键合性
5.3.1 材料间键合接触时的冶金学效应
5.3.2 各种材料的键合接触
5.4 压力传感器的键合工艺及效果
5.4.1 芯片电路及引线
5.4.2 压力传感器键合工艺步骤
6 MEMS元件的制作
6.1 硅膜电容型压力传感器
6.1.1 电容变化量与流体压力的关系
6.1.2 测定方法
6.2 压电型压力传感器
6.2.1 压电材料和压电效应
6.2.2 压电方程与压电系数
6.2.3 表面电荷的计算
6.2.4 压电型压力传感器的电荷测量
6.2.5 压电型压力传感器的结构及其特点
6.3 MEMS微型阀和微型泵的制作
6.3.1 微型阀
6.3.2 微型泵
6.4 基于压电原理的MEMS微驱动器
6.4.1 压电纳米驱动器
6.4.2 压电喷墨头
6.5 气体传感器阵列中微加热器的制作
6.5.1 利用扩散电阻作加热器
6.5.2 微型热板式加热器（MHP）
6.5.3 绝缘层之间的金属Pt膜或多晶Si膜作加热器
6.6 微型燃烧器的制作
参考文献

作者介绍

---

文摘

---

序言

---

MEMS传感器：从原理到应用 第一部分：MEMS传感器的工作原理与基本构成 引言： 微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）是一门融合了微电子技术、机械工程、材料科学、生物医学工程等多个学科的交叉领域。MEMS器件通过将微小的机械结构与电子电路集成在同一芯片上，实现了前所未有的高集成度、高性能和低功耗，从而在传感器、执行器、微流控等领域开辟了广阔的应用前景。MEMS传感器作为MEMS技术最核心的应用之一，其种类繁多，功能各异，但其工作原理往往建立在一些基础的物理效应之上。本部分将深入探讨MEMS传感器的基本工作原理、核心构成要素以及常见的感应机制。 1. MEMS传感器的工作原理基石：物理效应的微观体现 MEMS传感器的核心在于将外部环境的物理量（如力、压力、加速度、温度、光、化学物质等）转化为可被电子电路读取的电信号。实现这一转化的关键在于利用各种物理效应在微观尺度下的显著表现。以下是几种最常见的物理效应及其在MEMS传感器中的应用： 压阻效应 (Piezoresistive Effect): 某些材料（如硅、多晶硅、金属）在受到机械应力时，其电阻值会发生变化的现象。这是MEMS传感器中最广泛应用的效应之一。当一个 MEMS 结构受到外力作用而发生形变时，与之集成在一起的压阻材料也会随之形变，导致电阻值改变。通过测量电阻值的变化，就可以推算出施加的外力或压力。例如，在压力传感器中，薄膜或悬臂梁结构会因为压力的作用而弯曲，连接在弯曲部分的压阻电阻会发生变化，从而指示压力大小。 压电效应 (Piezoelectric Effect): 某些晶体材料（如石英、钛酸锆铅 PZT、氧化锌 ZnO）在受到机械应力作用时，会在其表面产生电荷（正压电效应）；反之，在这些材料的表面施加电场时，会引起材料的机械形变（逆压电效应）。在MEMS传感器中，主要利用的是正压电效应。当压电材料受到应力时，会产生与应力成比例的电压信号。这使得压电传感器非常适合用于检测动态的力、振动和冲击。在加速度计、麦克风、超声波换能器等器件中都有广泛应用。 电容效应 (Capacitive Effect): 利用电容器的电容值会随着极板间距或介电常数的变化而变化的原理。在MEMS传感器中，通常设计成可动的动极板和固定的静极板。当外界物理量引起动极板相对于静极板发生位移时，极板间的距离就会改变，从而导致电容值变化。这种变化可以通过测量电容值的变化来反映被测物理量的变化。电容式传感器具有高灵敏度、低功耗、良好的线性度等优点，常用于加速度计、压力传感器、湿度传感器、位移传感器等。 电磁效应 (Electromagnetic Effect): 利用导体在磁场中运动时产生感应电流（法拉第电磁感应定律），或电流在磁场中受到洛伦兹力作用而产生运动的原理。例如，在某些加速度计中，会利用永磁体和线圈的相对运动来产生感应电压，或者利用电磁力驱动可动部件，并通过测量所需的驱动电流来推断位移或力。 热效应 (Thermal Effect): 利用温度变化引起材料性质（如电阻、热电势）变化的原理。例如，热敏电阻（Thermistor）的电阻值随温度变化而变化；热电偶（Thermocouple）在温差作用下产生热电势。在MEMS传感器中，可以设计微型加热器和温度传感器，利用空气流动、传导等方式来测量温度或温差，从而推断其他物理量。例如，流量传感器可以利用加热元件的温升来测量气体的流量。 光学效应 (Optical Effect): 利用光与物质的相互作用来检测物理量的变化。例如，光敏电阻、光电二极管、光电晶体管等。在MEMS传感器中，可以将微型光学元件（如透镜、反射镜）与微机械结构集成，利用位移引起的光信号变化来检测运动或形变。例如，光编码器可以利用光栅和光电探测器来测量角度或位移。 2. MEMS传感器的核心构成要素：从宏观到微观的集成 一个典型的MEMS传感器通常由以下几个核心部分组成： 微机械结构 (Micro-Mechanical Structure): 这是MEMS传感器的“感官”部分，直接与被测环境相互作用。它可以是薄膜、悬臂梁、薄片、微梁、微柱、齿轮、微镜等各种微米或亚微米级别的几何结构。这些结构的设计和制造决定了传感器的灵敏度、量程、响应速度和稳定性。它们通常由硅、氮化硅、氧化硅、聚合物等材料制成，通过微加工技术（如光刻、刻蚀、薄膜沉积）在衬底上制造而成。 换能元件 (Transducer Element): 这是将微机械结构的形变或运动转化为电信号的关键部分。如前所述，它利用特定的物理效应来实现能量的转换。例如，在压阻式传感器中，换能元件是集成在微机械结构上的压阻材料；在压电式传感器中，换能元件是压电材料层；在电容式传感器中，换能元件是构成的电容器的极板。 信号处理电路 (Signal Processing Circuit): 换能元件产生的原始电信号通常非常微弱，并且可能包含噪声。信号处理电路负责对这些信号进行放大、滤波、信号调理，使其符合后续数据采集或控制系统的要求。这部分电路通常是利用标准的半导体工艺（CMOS、BiCMOS等）在同一芯片上或独立的芯片上集成。 封装 (Packaging): MEMS器件的微小尺寸和精细结构使其对环境因素（如灰尘、湿度、机械冲击）非常敏感，因此需要进行适当的封装以保护其免受损伤，并提供与外部电路连接的接口。封装的设计也需要考虑传感器的性能，例如，对于压力传感器，封装需要能够承受一定的压力，并且保持内部结构的完整性。 3. MEMS传感器中常见的感应机制：多种物理效应的巧妙结合 MEMS传感器根据不同的应用需求，可以采用多种感应机制。以下是一些常见的感应机制及其代表性的传感器类型： 基于应力/应变感应的传感器: 压阻式传感器: 利用压阻效应，将微机械结构的变形转化为电阻变化。 压力传感器: 通过测量薄膜或膜盒在压力作用下的弯曲变形，压阻传感器能够精确测量压力。 加速度计: 利用微悬臂梁或质量块的惯性运动，在加速度作用下产生形变，通过测量压阻电阻的变化来检测加速度。 力传感器: 类似于压力传感器，直接测量施加在结构上的力引起的形变。 压电式传感器: 利用压电效应，将应力直接转化为电压信号。 加速度计: 压电晶体或薄膜在加速度作用下受力产生电压。 麦克风: 声波引起的压力变化使压电元件振动产生电压。 振动传感器: 检测机械振动产生的应力变化。 基于位移/形变感应的传感器: 电容式传感器: 利用电容值的变化来检测极板间距或介电常数的变化。 加速度计: 质量块的位移引起动极板与静极板间距变化，从而改变电容。 压力传感器: 膜片在压力下变形，改变与固定极板的间距，引起电容变化。 湿度传感器: 湿度变化影响介电材料的介电常数，改变电容。 位置/位移传感器: 检测可动部件的位移。 光学式传感器: 利用位移引起的光信号变化。 编码器: 检测光栅的位移，通过光电探测器读取角度或线性位移。 干涉仪: 利用激光干涉条纹的变化来测量极小的位移。 基于热量传递感应的传感器: 热敏电阻式传感器: 利用材料电阻随温度变化的特性。 温度传感器: 直接测量环境温度。 气体流量传感器: 通过测量加热元件的温升来推断气体的流量。 热电式传感器: 利用热电偶的温差产生电压的特性。 基于其他物理效应的传感器: 磁阻式传感器: 利用材料磁阻随磁场或应力变化的特性。 磁场传感器: 检测磁场的强度和方向。 应变片: 利用材料在应力作用下磁阻的变化。 微流控传感器: 利用微通道内的流体流动、混合、反应等特性，结合其他传感机制来检测化学物质或生物分子。 结论： MEMS传感器之所以能够实现如此广泛的应用，离不开对其基本工作原理的深刻理解。通过巧妙地利用压阻、压电、电容、热效应等物理原理，并将微机械结构、换能元件和信号处理电路高度集成，MEMS传感器能够以极小的尺寸、极低的功耗实现对各种物理量的精确测量。下一部分将深入探讨MEMS器件的制造工艺，为理解这些精巧器件的实现过程奠定基础。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书的时候，其实是抱着一种略带忐忑的心情。我本身不是MEMS领域的科班出身，之前对这个领域仅限于一些泛泛的了解，知道它和微小的尺度、精密制造、以及传感器、芯片等高新技术息息相关。所以，我非常期待能有一本结构清晰、深入浅出、同时又能兼顾理论深度和实际应用的入门读物。这本书的封面设计和排版给我的第一印象是相当专业和严谨的，这让我对接下来的阅读充满了信心。我尤其关注前几章对基本概念的阐述，比如什么是微米/纳米加工、关键的物理原理在微观尺度下的表现，以及不同材料体系的特性。如果这些基础没有打牢，后续的复杂技术就如同空中楼阁。我希望作者能够用清晰的逻辑链条，将那些抽象的物理化学过程，用生动的比喻或者直观的图示展现出来，而不是单纯堆砌晦涩的公式。毕竟，对于很多初学者来说，建立起对“微观世界”的直觉认知，比记住一堆复杂的数学推导要重要得多。好的基础教材，应该能像一个耐心的导师，引导读者一步步跨越从宏观思维到微观理解的鸿沟。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，坦白说，让我有些耳目一新，它没有一股脑地把所有先进工艺都摆出来炫技，而是非常稳健地构建了一个技术体系的框架。我关注的重点放在了“工艺流程”的叙述上，这才是MEMS制造的核心壁垒。例如，在光刻、刻蚀（干法和湿法）、薄膜沉积这些单元工艺的介绍中，我希望看到的不仅仅是原理性的描述，更重要的是对“工艺窗口”的探讨。什么叫工艺窗口？就是哪些参数组合能成功，哪些参数组合会导致灾难性的缺陷，以及如何通过优化工艺参数来控制关键的形貌（侧壁的垂直度、粗糙度等）。这涉及到大量的经验积累和实验数据支撑。我个人对深孔刻蚀技术，比如Bosch工艺的最新进展非常感兴趣，它在实现高深宽比结构时面临的挑战，比如侧壁的微观损伤和再沉积物控制，这本书是否有足够深入的讨论？如果能结合实际的工程案例，哪怕只是一个示意性的流程图，说明一个传感器是如何从设计图纸一步步变成实体芯片的，那将极大地提升阅读的价值和实践指导性。

评分☆☆☆☆☆

从语言风格和可读性的角度来看，我希望这本书的行文是那种沉稳、严谨又不失亲和力的。技术书籍最大的忌讳就是故作高深，用大量生僻的术语把自己包裹起来，让读者望而却步。我特别留意了图表的质量。高质量的MEMS教材，其示意图必须是精确的几何表示，而不是随便画的草图。比如，在解释应力分布或流体力学模型时，如果能辅以现代仿真软件（如COMSOL或ANSYS）输出的彩色应力云图或流线图，那对理解复杂的物理耦合效应将是莫大的帮助。我期望作者在阐述某个复杂现象（比如压电效应在驱动器中的应用）时，能做到“层层剥开洋葱”，先给出核心模型，再逐步引入非理想因素的修正项。如果能做到理论推导和实际应用之间的平衡，让读者既能理解“为什么能工作”，也能知道“如何让它工作得更好”，这本书才称得上是真正成功的教材。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期关注前沿科技动态的读者，我非常看重教材对“系统集成”和“封装挑战”的论述。MEMS的难点从来就不仅仅在于微加工本身，更在于如何将这些精密的微结构与外界环境隔离，如何实现可靠的电气连接，以及如何将这套微系统与传统的CMOS电路进行有效的异质集成。很多优秀的微器件在实验室里表现完美，一旦进入封装阶段，性能就大幅衰减，甚至失效。这本书在讲述完制造过程后，是否对这些“系统级”的问题给予了足够的重视？比如，键合技术（如晶圆键合、超声波键合）的精度要求，以及由于热膨胀系数不匹配带来的应力管理。如果能提供一些关于“封装后可靠性评估”的初步介绍，比如环境测试标准（温度循环、湿度敏感度），那这本书的实用价值将大大提升，因为它不再仅仅是一本工艺手册，而是一本涵盖了产品化全生命周期的参考书。这种系统思维的培养，对于培养未来的工程师至关重要。

评分☆☆☆☆☆

最后，我关注的是这本书的时效性和前瞻性。MEMS领域发展极快，新材料、新原理、新应用层出不穷。我希望这本基础教材在打下坚实基础的同时，也能为读者指明未来的研究方向。例如，对于柔性电子、生物医学MEMS（BioMEMS）以及智能传感器网络中MEMS的应用，是否有所提及？这些新兴领域往往对传统工艺提出了全新的挑战，比如对高分子材料加工的需求、对低成本快速制造的渴望。如果书中能有专门的章节，或者至少在总结部分，对这些“下一代”技术进行概述，并分析现有基础技术如何向这些方向拓展，那就非常棒了。它将不仅仅是一本介绍“现在”技术的书，更是一张通往“未来”科技的路线图，这对于激励年轻一代的科研工作者和工程师是极其宝贵的。