微電子機械加工係統(MEMS)技術基礎孫以材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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孫以材，龐鼕青著 著

圖書標籤:

• MEMS
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• MEMS技術
• 孫以材
• 機械工程
• 電子工程
• 集成電路
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齣版社： 冶金工業齣版社

ISBN：9787502447946

商品編碼：29665011947

包裝：平裝

齣版時間：2009-03-01

基本信息

書名：微電子機械加工係統(MEMS)技術基礎孫以材

定價：26.00元

作者：孫以材,龐鼕青著

齣版社：冶金工業齣版社

齣版日期：2009-03-01

ISBN：9787502447946

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：大32開

商品重量：0.182kg

編輯推薦

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本書著重於MEMS元件設計中的有限元靜電場和電流場，溫度場，MEMS元件各嚮同性應力場和各嚮異性應變分析及壓電效應介紹。本書重點還放在MEMS元件製造，包括矽片腐蝕加工和矽片鍵閤，封裝和引綫。編者在上述各方麵曾作過許多研究，完成多項科研任務，有的經驗和收獲。

內容提要

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MEMS技術是21世紀發展的重大技術，涉及國防、航天、醫療等領域。本書以各種微型閥、微型泵、微型馬達、壓電元器件的製造為目的，闡述其功能，所依據的物理原理及定律。本書還詳細介紹瞭電學，熱學和力學有限元方法的要領，相關軟件的使用及矽片的加工處理方法。閱讀本書，可以為MEMS元件的設計和製造打下較好的基礎，從而可以靈活應用所學知識。
本書可供國防、航天、醫療等專業的技術人員閱讀，也可供大專院校有關專業師生參考。

目錄

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1 靜電場數值計算有限元方法
1.1 靜電場中重要定律和方程
1.1.1 歐姆定律
1.1.2 奧-高定律
1.1.3 靜電場中的泊鬆（poisson）方程
1.1.4 高斯定理
1.1.5 格林定理
1.1.6 靜電場能量
1.2 變分原理與泛函
1.2.1 變分原理與泛函
1.2.2 場域中存在電荷時泛函L（φ）
1.3 靜電場有限元法的計算過程
1.3.1 場域的剖分與函數的近似錶示
1.3.2 泛函的計算過程
1.3.3 綜閤方程的係數矩陣形式
1.4 靜電場有限元數值計算在電流場電勢分析中的應用實例
1.4.1 概述
1.4.2 原理
1.4.3 計算結果
2 應力場數值計算有限元方法
2.1 有限元應力分析概述
2.1.1 原理
2.1.2 FEA的輸入信息
2.1.3 應力分析的輸齣信息
2.1.4 圖形輸齣
2.1.5 總評
2.1.6 ANSYS的分析例子
2.2 ANSYS軟件在矽島膜電容式MEMS壓力傳感器設計中的應用
2.2.1 ANSYS力學分析步驟
2.2.2 問題的提齣
2.2.3 ANSYS分析
2.3 MEMS彈性膜的二維有限元應力計算原理
2.3.1 彈性膜的有限元剖分
2.3.2 虛功原理的應用
2.3.3 單元剛度方程與整體剛度方程
2.3.4 整體剛度方程的求解
2.3.5 彈性膜應力分布有限元法計算結果
2.4 壓力傳感器三維有限元法應力計算簡介
2.4.1 單元的選擇與形變自由度
2.4.2 用結點位移錶示單元中任何一點位移
2.4.3 單元剛度矩陣
2.4.4 總體剛度方程
2.4.5 計算結果
2.5 高溫壓力傳感器熱模擬
2.5.1 概述
2.5.2 AIN、Si02、A1203作為絕緣層時的比較
2.5.3 散熱層不同厚度時襯底溫度的比較
2.5.4 散熱層不同厚度時電阻中心點溫度的比較
2.6 受徑嚮力圓環中正應力的周嚮分布規律及其應力計算的分析解法
2.6.1 概述
2.6.2 由格林定理推導正應力的周嚮分布規律
2.6.3 力的平衡條件
2.6.4 利用力矩平衡條件決定A值
2.6.5 計算結果
2.7 MEMS單晶元件各嚮異性正應變的計算
2.7.1 概述
2.7.2 在單軸應力下，進行X射綫衍射實驗測量
2.7.3 正應力作用下晶麵正應變機理
2.7.4 不同晶嚮正應變與正應力間的關係
3 矽MEMS元件的化學腐蝕微機械加工
3.1 概況
3.2 濕化學腐蝕
3.2.1 電化學腐蝕機理
3.2.2 影響腐蝕速率的因素
3.2.3 陽極腐蝕法
3.2.4 凸角腐蝕及其補償
3.2.5 無掩膜KOH腐蝕技術
3.2.6 各嚮異性腐蝕過程計算機模擬
3.2.7 腐蝕過程的幾何分析
3.2.8 二維腐蝕過程計算機模擬
3.2.9 三維腐蝕過程計算機模擬
3.3 微電子機械元件的壓力腔腐蝕工藝
3.3.1 常用腐蝕液及其特性
3.3.2 矽杯壓力腔口掩膜尺寸設計
3.3.3 適閤腐蝕法製備彈性膜的外延結構
3.3.4 KOH各嚮異性腐蝕製作近似圓形膜技術
3.3.5 各嚮異性腐蝕設備
3.3.6 簡易雙麵對準技術
3.4 錶麵微機械加工——犧牲層技術
3.5 等離子體刻蝕技術在微細圖形加工中的應用
3.6 微細電化學加工技術
3.6.1 微細電鑄
3.6.2 微細電解加工
4 MEMS係統的封裝
4.1 MEMS係統的封裝意義及要求
4.1.1 封裝的作用與意義
4.1.2 MEMS封裝設計中需要考慮的重要問題
4.1.3 封裝結構及封裝材料
4.1.4 接口問題
4.1.5 封裝外殼設計
4.1.6 熱設計
4.1.7 封裝過程引起的可靠性問題
4.1.8 封裝成本
4.2 焊球柵陣列倒裝芯片封裝技術
4.3 MEMS中芯片封接方法
4.3.1 黏結
4.3.2 共晶鍵閤
4.3.3 陽極鍵閤
4.3.4 冷焊
4.3.5 釺焊
4.3.6 矽-矽直接鍵閤
4.3.7 玻璃密封
4.4 矽片與矽片低溫直接鍵閤
4.4.1 各種矽-矽直接鍵閤法
4.4.2 矽-矽酸鈉-矽低溫直接鍵閤過程
4.4.3 影響鍵閤質量的因素
4.4.4 質量檢測方法
4.5 封接材料的性質
5 微電子機械元件的引綫
5.1 MEMS元件的引綫鍵閤
5.1.1 引綫的作用
5.1.2 對鍵閤引綫材料的要求
5.1.3 MEMS元件中應用的引綫鍵閤工藝
5.2 MEMS係統壓力傳感器的引綫鍵閤工藝
5.2.1 超聲鍵閤設備
5.3 引綫的可靠性與可鍵閤性
5.3.1 材料間鍵閤接觸時的冶金學效應
5.3.2 各種材料的鍵閤接觸
5.4 壓力傳感器的鍵閤工藝及效果
5.4.1 芯片電路及引綫
5.4.2 壓力傳感器鍵閤工藝步驟
6 MEMS元件的製作
6.1 矽膜電容型壓力傳感器
6.1.1 電容變化量與流體壓力的關係
6.1.2 測定方法
6.2 壓電型壓力傳感器
6.2.1 壓電材料和壓電效應
6.2.2 壓電方程與壓電係數
6.2.3 錶麵電荷的計算
6.2.4 壓電型壓力傳感器的電荷測量
6.2.5 壓電型壓力傳感器的結構及其特點
6.3 MEMS微型閥和微型泵的製作
6.3.1 微型閥
6.3.2 微型泵
6.4 基於壓電原理的MEMS微驅動器
6.4.1 壓電納米驅動器
6.4.2 壓電噴墨頭
6.5 氣體傳感器陣列中微加熱器的製作
6.5.1 利用擴散電阻作加熱器
6.5.2 微型熱闆式加熱器（MHP）
6.5.3 絕緣層之間的金屬Pt膜或多晶Si膜作加熱器
6.6 微型燃燒器的製作
參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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MEMS傳感器：從原理到應用 第一部分：MEMS傳感器的工作原理與基本構成 引言： 微電子機械係統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）是一門融閤瞭微電子技術、機械工程、材料科學、生物醫學工程等多個學科的交叉領域。MEMS器件通過將微小的機械結構與電子電路集成在同一芯片上，實現瞭前所未有的高集成度、高性能和低功耗，從而在傳感器、執行器、微流控等領域開闢瞭廣闊的應用前景。MEMS傳感器作為MEMS技術最核心的應用之一，其種類繁多，功能各異，但其工作原理往往建立在一些基礎的物理效應之上。本部分將深入探討MEMS傳感器的基本工作原理、核心構成要素以及常見的感應機製。 1. MEMS傳感器的工作原理基石：物理效應的微觀體現 MEMS傳感器的核心在於將外部環境的物理量（如力、壓力、加速度、溫度、光、化學物質等）轉化為可被電子電路讀取的電信號。實現這一轉化的關鍵在於利用各種物理效應在微觀尺度下的顯著錶現。以下是幾種最常見的物理效應及其在MEMS傳感器中的應用： 壓阻效應 (Piezoresistive Effect): 某些材料（如矽、多晶矽、金屬）在受到機械應力時，其電阻值會發生變化的現象。這是MEMS傳感器中最廣泛應用的效應之一。當一個 MEMS 結構受到外力作用而發生形變時，與之集成在一起的壓阻材料也會隨之形變，導緻電阻值改變。通過測量電阻值的變化，就可以推算齣施加的外力或壓力。例如，在壓力傳感器中，薄膜或懸臂梁結構會因為壓力的作用而彎麯，連接在彎麯部分的壓阻電阻會發生變化，從而指示壓力大小。 壓電效應 (Piezoelectric Effect): 某些晶體材料（如石英、鈦酸鋯鉛 PZT、氧化鋅 ZnO）在受到機械應力作用時，會在其錶麵産生電荷（正壓電效應）；反之，在這些材料的錶麵施加電場時，會引起材料的機械形變（逆壓電效應）。在MEMS傳感器中，主要利用的是正壓電效應。當壓電材料受到應力時，會産生與應力成比例的電壓信號。這使得壓電傳感器非常適閤用於檢測動態的力、振動和衝擊。在加速度計、麥剋風、超聲波換能器等器件中都有廣泛應用。 電容效應 (Capacitive Effect): 利用電容器的電容值會隨著極闆間距或介電常數的變化而變化的原理。在MEMS傳感器中，通常設計成可動的動極闆和固定的靜極闆。當外界物理量引起動極闆相對於靜極闆發生位移時，極闆間的距離就會改變，從而導緻電容值變化。這種變化可以通過測量電容值的變化來反映被測物理量的變化。電容式傳感器具有高靈敏度、低功耗、良好的綫性度等優點，常用於加速度計、壓力傳感器、濕度傳感器、位移傳感器等。 電磁效應 (Electromagnetic Effect): 利用導體在磁場中運動時産生感應電流（法拉第電磁感應定律），或電流在磁場中受到洛倫茲力作用而産生運動的原理。例如，在某些加速度計中，會利用永磁體和綫圈的相對運動來産生感應電壓，或者利用電磁力驅動可動部件，並通過測量所需的驅動電流來推斷位移或力。 熱效應 (Thermal Effect): 利用溫度變化引起材料性質（如電阻、熱電勢）變化的原理。例如，熱敏電阻（Thermistor）的電阻值隨溫度變化而變化；熱電偶（Thermocouple）在溫差作用下産生熱電勢。在MEMS傳感器中，可以設計微型加熱器和溫度傳感器，利用空氣流動、傳導等方式來測量溫度或溫差，從而推斷其他物理量。例如，流量傳感器可以利用加熱元件的溫升來測量氣體的流量。 光學效應 (Optical Effect): 利用光與物質的相互作用來檢測物理量的變化。例如，光敏電阻、光電二極管、光電晶體管等。在MEMS傳感器中，可以將微型光學元件（如透鏡、反射鏡）與微機械結構集成，利用位移引起的光信號變化來檢測運動或形變。例如，光編碼器可以利用光柵和光電探測器來測量角度或位移。 2. MEMS傳感器的核心構成要素：從宏觀到微觀的集成 一個典型的MEMS傳感器通常由以下幾個核心部分組成： 微機械結構 (Micro-Mechanical Structure): 這是MEMS傳感器的“感官”部分，直接與被測環境相互作用。它可以是薄膜、懸臂梁、薄片、微梁、微柱、齒輪、微鏡等各種微米或亞微米級彆的幾何結構。這些結構的設計和製造決定瞭傳感器的靈敏度、量程、響應速度和穩定性。它們通常由矽、氮化矽、氧化矽、聚閤物等材料製成，通過微加工技術（如光刻、刻蝕、薄膜沉積）在襯底上製造而成。 換能元件 (Transducer Element): 這是將微機械結構的形變或運動轉化為電信號的關鍵部分。如前所述，它利用特定的物理效應來實現能量的轉換。例如，在壓阻式傳感器中，換能元件是集成在微機械結構上的壓阻材料；在壓電式傳感器中，換能元件是壓電材料層；在電容式傳感器中，換能元件是構成的電容器的極闆。 信號處理電路 (Signal Processing Circuit): 換能元件産生的原始電信號通常非常微弱，並且可能包含噪聲。信號處理電路負責對這些信號進行放大、濾波、信號調理，使其符閤後續數據采集或控製係統的要求。這部分電路通常是利用標準的半導體工藝（CMOS、BiCMOS等）在同一芯片上或獨立的芯片上集成。 封裝 (Packaging): MEMS器件的微小尺寸和精細結構使其對環境因素（如灰塵、濕度、機械衝擊）非常敏感，因此需要進行適當的封裝以保護其免受損傷，並提供與外部電路連接的接口。封裝的設計也需要考慮傳感器的性能，例如，對於壓力傳感器，封裝需要能夠承受一定的壓力，並且保持內部結構的完整性。 3. MEMS傳感器中常見的感應機製：多種物理效應的巧妙結閤 MEMS傳感器根據不同的應用需求，可以采用多種感應機製。以下是一些常見的感應機製及其代錶性的傳感器類型： 基於應力/應變感應的傳感器: 壓阻式傳感器: 利用壓阻效應，將微機械結構的變形轉化為電阻變化。 壓力傳感器: 通過測量薄膜或膜盒在壓力作用下的彎麯變形，壓阻傳感器能夠精確測量壓力。 加速度計: 利用微懸臂梁或質量塊的慣性運動，在加速度作用下産生形變，通過測量壓阻電阻的變化來檢測加速度。 力傳感器: 類似於壓力傳感器，直接測量施加在結構上的力引起的形變。 壓電式傳感器: 利用壓電效應，將應力直接轉化為電壓信號。 加速度計: 壓電晶體或薄膜在加速度作用下受力産生電壓。 麥剋風: 聲波引起的壓力變化使壓電元件振動産生電壓。 振動傳感器: 檢測機械振動産生的應力變化。 基於位移/形變感應的傳感器: 電容式傳感器: 利用電容值的變化來檢測極闆間距或介電常數的變化。 加速度計: 質量塊的位移引起動極闆與靜極闆間距變化，從而改變電容。 壓力傳感器: 膜片在壓力下變形，改變與固定極闆的間距，引起電容變化。 濕度傳感器: 濕度變化影響介電材料的介電常數，改變電容。 位置/位移傳感器: 檢測可動部件的位移。 光學式傳感器: 利用位移引起的光信號變化。 編碼器: 檢測光柵的位移，通過光電探測器讀取角度或綫性位移。 乾涉儀: 利用激光乾涉條紋的變化來測量極小的位移。 基於熱量傳遞感應的傳感器: 熱敏電阻式傳感器: 利用材料電阻隨溫度變化的特性。 溫度傳感器: 直接測量環境溫度。 氣體流量傳感器: 通過測量加熱元件的溫升來推斷氣體的流量。 熱電式傳感器: 利用熱電偶的溫差産生電壓的特性。 基於其他物理效應的傳感器: 磁阻式傳感器: 利用材料磁阻隨磁場或應力變化的特性。 磁場傳感器: 檢測磁場的強度和方嚮。 應變片: 利用材料在應力作用下磁阻的變化。 微流控傳感器: 利用微通道內的流體流動、混閤、反應等特性，結閤其他傳感機製來檢測化學物質或生物分子。 結論： MEMS傳感器之所以能夠實現如此廣泛的應用，離不開對其基本工作原理的深刻理解。通過巧妙地利用壓阻、壓電、電容、熱效應等物理原理，並將微機械結構、換能元件和信號處理電路高度集成，MEMS傳感器能夠以極小的尺寸、極低的功耗實現對各種物理量的精確測量。下一部分將深入探討MEMS器件的製造工藝，為理解這些精巧器件的實現過程奠定基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構安排，坦白說，讓我有些耳目一新，它沒有一股腦地把所有先進工藝都擺齣來炫技，而是非常穩健地構建瞭一個技術體係的框架。我關注的重點放在瞭“工藝流程”的敘述上，這纔是MEMS製造的核心壁壘。例如，在光刻、刻蝕（乾法和濕法）、薄膜沉積這些單元工藝的介紹中，我希望看到的不僅僅是原理性的描述，更重要的是對“工藝窗口”的探討。什麼叫工藝窗口？就是哪些參數組閤能成功，哪些參數組閤會導緻災難性的缺陷，以及如何通過優化工藝參數來控製關鍵的形貌（側壁的垂直度、粗糙度等）。這涉及到大量的經驗積纍和實驗數據支撐。我個人對深孔刻蝕技術，比如Bosch工藝的最新進展非常感興趣，它在實現高深寬比結構時麵臨的挑戰，比如側壁的微觀損傷和再沉積物控製，這本書是否有足夠深入的討論？如果能結閤實際的工程案例，哪怕隻是一個示意性的流程圖，說明一個傳感器是如何從設計圖紙一步步變成實體芯片的，那將極大地提升閱讀的價值和實踐指導性。

評分☆☆☆☆☆

最後，我關注的是這本書的時效性和前瞻性。MEMS領域發展極快，新材料、新原理、新應用層齣不窮。我希望這本基礎教材在打下堅實基礎的同時，也能為讀者指明未來的研究方嚮。例如，對於柔性電子、生物醫學MEMS（BioMEMS）以及智能傳感器網絡中MEMS的應用，是否有所提及？這些新興領域往往對傳統工藝提齣瞭全新的挑戰，比如對高分子材料加工的需求、對低成本快速製造的渴望。如果書中能有專門的章節，或者至少在總結部分，對這些“下一代”技術進行概述，並分析現有基礎技術如何嚮這些方嚮拓展，那就非常棒瞭。它將不僅僅是一本介紹“現在”技術的書，更是一張通往“未來”科技的路綫圖，這對於激勵年輕一代的科研工作者和工程師是極其寶貴的。

評分☆☆☆☆☆

作為一名長期關注前沿科技動態的讀者，我非常看重教材對“係統集成”和“封裝挑戰”的論述。MEMS的難點從來就不僅僅在於微加工本身，更在於如何將這些精密的微結構與外界環境隔離，如何實現可靠的電氣連接，以及如何將這套微係統與傳統的CMOS電路進行有效的異質集成。很多優秀的微器件在實驗室裏錶現完美，一旦進入封裝階段，性能就大幅衰減，甚至失效。這本書在講述完製造過程後，是否對這些“係統級”的問題給予瞭足夠的重視？比如，鍵閤技術（如晶圓鍵閤、超聲波鍵閤）的精度要求，以及由於熱膨脹係數不匹配帶來的應力管理。如果能提供一些關於“封裝後可靠性評估”的初步介紹，比如環境測試標準（溫度循環、濕度敏感度），那這本書的實用價值將大大提升，因為它不再僅僅是一本工藝手冊，而是一本涵蓋瞭産品化全生命周期的參考書。這種係統思維的培養，對於培養未來的工程師至關重要。

評分☆☆☆☆☆

從語言風格和可讀性的角度來看，我希望這本書的行文是那種沉穩、嚴謹又不失親和力的。技術書籍最大的忌諱就是故作高深，用大量生僻的術語把自己包裹起來，讓讀者望而卻步。我特彆留意瞭圖錶的質量。高質量的MEMS教材，其示意圖必須是精確的幾何錶示，而不是隨便畫的草圖。比如，在解釋應力分布或流體力學模型時，如果能輔以現代仿真軟件（如COMSOL或ANSYS）輸齣的彩色應力雲圖或流綫圖，那對理解復雜的物理耦閤效應將是莫大的幫助。我期望作者在闡述某個復雜現象（比如壓電效應在驅動器中的應用）時，能做到“層層剝開洋蔥”，先給齣核心模型，再逐步引入非理想因素的修正項。如果能做到理論推導和實際應用之間的平衡，讓讀者既能理解“為什麼能工作”，也能知道“如何讓它工作得更好”，這本書纔稱得上是真正成功的教材。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本書的時候，其實是抱著一種略帶忐忑的心情。我本身不是MEMS領域的科班齣身，之前對這個領域僅限於一些泛泛的瞭解，知道它和微小的尺度、精密製造、以及傳感器、芯片等高新技術息息相關。所以，我非常期待能有一本結構清晰、深入淺齣、同時又能兼顧理論深度和實際應用的入門讀物。這本書的封麵設計和排版給我的第一印象是相當專業和嚴謹的，這讓我對接下來的閱讀充滿瞭信心。我尤其關注前幾章對基本概念的闡述，比如什麼是微米/納米加工、關鍵的物理原理在微觀尺度下的錶現，以及不同材料體係的特性。如果這些基礎沒有打牢，後續的復雜技術就如同空中樓閣。我希望作者能夠用清晰的邏輯鏈條，將那些抽象的物理化學過程，用生動的比喻或者直觀的圖示展現齣來，而不是單純堆砌晦澀的公式。畢竟，對於很多初學者來說，建立起對“微觀世界”的直覺認知，比記住一堆復雜的數學推導要重要得多。好的基礎教材，應該能像一個耐心的導師，引導讀者一步步跨越從宏觀思維到微觀理解的鴻溝。