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微機電系統工程

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微機電系統(micro-electromechanicalsystem—MEMS)微機電系統基本上是指尺寸在幾厘米以下乃至更小的小型裝置,是一個獨立的智能系統,主要由感測順、作動器(執行器)和微能源三大部分組成。

1 微機電系統工程 -簡介

微機電系統工程微機電系統工程

微機電系統是20世紀末興起,並在21世紀初開始快速發展的高科技前沿領域。其所涉及領域不斷擴大,相關研究也日趨深入。《微機電系統工程基礎》主要介紹相關的工程基礎知識。《微機電系統工程基礎》共11章,較為詳細地介紹了半導體製作工藝、執行器、微系統的工作機理及製作方法和應用範圍、各種新發展的微檢測技術、微系統設計、建模方法和應注意的事項等,還重點介紹了微機電系統的固體力學、微流體力學和微尺度傳熱的基礎知識,分析了微系統中的工程特點,與傳統工程科學的區別,傳統理論在微機電系統應用中所受到的及其修正,微機電系統中常見的失效方式及其應對原則等。

2 微機電系統工程 -研究領域

微機電系統是指可批量製作的,集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至介面、通信和電源等於一體的微型器件或系統。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的。MEMS的特點是:

1)微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。
2)以硅為主要材料,機械電器性能優良:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢。
3)批量生產:用硅微加工工藝在一片矽片上可同時製造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產可大大降低生產成本。
4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個感測器或執行器集成於一體,或形成微感測器陣列、微執行器陣列,甚至把多種功能的器件集成在一起,形成複雜的微系統。微感測器、微執行器和微電子器件的集成可製造出可靠性、穩定性很高的MEMS。
5)多學科交叉:MEMS涉及電子、機械、材料、製造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,並集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。

MEMS發展的目標在於,通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統,開闢一個新技術領域和產業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務,也可嵌入大尺寸系統中,把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀MEMS將逐步從實驗室走向實用化,對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展產生重大影響。

微機電系統
(micro-electromechanicalsystem—MEMS)微機電系統基本上是指尺寸在幾厘米以下乃至更小的小型裝置,是一個獨立的智能系統,主要由感測順、作動器(執行器)和微能源三大部分組成。微機電系統涉及物理學、化學、光學、醫學、電子工程、材料工程、機械工程、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術,目前在系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。微機電系統的製造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米製造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種。微機電系統在國民經濟和軍事系統方面將有著廣泛的應用前景。主要民用領域是醫學、電子和航空航天系統。美國已研製成功用於汽車防撞和節油的微機電系統加速度表和感測器,可提高汽車的安全性,節油10%。僅此一項美國國防部系統每年就可節約幾十億美元的汽油費。微機電系統在航空航天系統的應用可大大節省費用,提高系統的靈活性,並將導致航空航天系統的變革。例如,一種微型慣性測量裝置的樣機,尺度為2厘米×2厘米×0.5厘米,重5克。在軍事應用方面,美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統應用於個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數據存儲器件、小型分析儀器、醫用感測器、光纖網路開關、環境與安全監測用的分散式無人值守感測等方面的研究。該局已演示以微機電系統為基礎製造的加速度表,它能承受火炮發射時產生的近10.5個重力加速度的衝擊力,可以為非制導彈藥提供一種經濟的制導系統。設想中的微機電系統的軍事應用還有:化學戰劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分散式戰場感測器網路等。

3 微機電系統工程 -圖書信息

書名:微機電系統工程基礎(普通高等教育「十一五」國家級規劃教材)
作者:王琪民 劉明侯 秦豐華
出版社:中國科學技術大學出版社
ISBN:9787312024689
頁碼:370 頁
版次:第1版
裝幀:平裝
開本:16
出版日:2010年01月
中文:
原價:38.00元
產品標識:asinB003383HP6

4 微機電系統工程 -目錄

前言
第1章 微機電系統概述
1.1 引言
1.1.1 多年來的期盼
1.1.2 發生在20世紀90年代的故事
1.2 小機械,大機會
1.2.1 三十年的積累
1.2.2 第一個豐收的季節
1.2.3 微型科技發展的動力
1.2.4 小機械包含著大課題
1.3 什麼是微機電系統
1.3.1 微機電系統的定義
1.3.2 微機電系統的尺寸
1.3.3 微型機械與微電子和普通機械的差異
1.4 本書內容
1.5 有關的刊物、會議和網站
參考文獻

第2章 微機電系統的製作(上)
2.1 引言
2.1.1 微細機械加工的特點
2.1.2 關於加工單位的概念
2.1.3 常用的微細加工方法的分類
2.2 微型機械中使用的IC工藝
2.2.1 IC工藝的概況
2.2.2 IC工藝的主要步驟
2.3 硅微結構製作工藝
2.3.1 體微機械加工技術
2.3.2 鍵合技術
2.3.3 表面微機械加工技術
2.3.4 封裝
參考文獻

第3章 微機電系統的製作(下)
3.1 傳統的超精密加工方法的概述
3.1.1 微細磨削加工
3.1.2 微細磨料加工
3.1.3 微細放電加工
3.1.4 金屬絲放電磨削加工
3.2 特種加工工藝
3.2.1 激光束微細加工技術
3.2.2 電子束微細加工技術
3.2.3 聚焦離子束(FIB)微細加工技術
3.3 LIGA工藝
3.3.1 概述
3.3.2 同步輻射X射線光刻
3.3.3 LIGA工藝流程
3.4 快速成型技術
3.5 用隧道顯微鏡進行微細加工
3.5.1 隧道效應與STM
3.5.2 其他類型的隧道顯微鏡
3.5.3 用隧道顯微鏡進行微細表面加工
3.6 最近發展的微納米工藝
3.6.1 多光子吸收聚合技術(MAP)
3.6.2 質子束刻寫
參考文獻

第4章 常見的微型器件(上)——幾種典型的微感測器及其工作原理
4.1 概述
4.1.1 定義
4.1.2 感測器工作原理及應遵循的法則和定律
4.2 感測器分類和性能指標
4.2.1 感測器的分類
4.2.2 感測器性能的指標
4.3 微型力學感測器及其工作原理
4.3.1 微型力(力矩)感測器
4.3.2 微型壓力感測器
4.3.3 微型加速度計
4.3.4 微型陀螺
4.3.5 微型觸覺感測器
4.4 微型生物醫學感測器
4.4.1 懸臂樑式生物感測器
4.4.2 石英晶體微天平感測器
4.4.3 光學生物感測器
4.5 微型圖像感測器
4.5.1 CCD圖像感測器
4.5.2 具有三維結構的固體圖像感測器
4.6 化學感測器
4.6.1 氣敏感測器
4.6.2 電子鼻
4.6.3 氣相色譜儀
4.7 微型感測器的特點
參考文獻

第5章 常見的微型器件(中)——幾種典型的微執行器及其工作原理
5.1 常用微型執行器的致動機理
5.1.1 靜電致動的機理
5.1.2 壓電致動的機理
5.1.3 熱致動的機理
5.1.4 形狀記憶合金致動的機理
5.1.5 電磁致動的機理
5.2 幾種典型的微型執行器
5.2.1 微馬達
5.2.2 微型閥
5.2.3 微型泵
5.2.4 其他微致動機構
5.3 微型執行器的特點和比較
參考文獻

第6章 常見微型器件(下)——幾種典型的微結構和微系統
6.1 微結構
6.1.1 微型鉸鏈、微型軸承
6.1.2 微型彈簧
6.1.3 微型繼電器、微型保險絲
6.1.4 微探針
6.1.5 微型人工細胞融合系統
6.1.6 仿壁虎粘附陣列
6.2 微型機構
6.2.1 微型連桿傳動機構
6.2.2 微型齒輪傳動機構
6.2.3 微型鏈傳動機構
6.2.4 微型平行四邊形機構
6.2.5 微型梳狀機構
6.2.6 柔性機構(微型機器人的手和腳)
6.3 微系統
6.3.1 微型數字顯示器
6.3.2 微光纖開關係統
6.3.3 生物晶元實驗室
6.3.4 納衛星
6.3.5 微型飛行器
6.3.6 微型化學反應系統
……
第7章 微檢測技術
第8章 微機電系統相關的固體力學基礎知識
第9章 微機電系統的設計和建模
第10章 微尺度流體力學的相關基礎知識
第11章 微尺度傳熱基礎知識
參考文獻
編輯推薦
《微機電系統工程基礎》:普通高等教育「十一五」國家級規劃教材

5 微機電系統工程 -晶體生長和晶片製備

為了製造高純度硅,需要對工業純硅(97%)進行提純。可通過化學方法將原始材料生成中間化合物,對中間化合物提純,再通過還原或熱分解得到純度為99.9999%的硅。也可以用物理方法,也稱區域法提純,即當熔化的半導體材料其中一部分凝固,另一部分仍為液體時,凝固部分雜質濃度低於液態部分雜質濃度。因此,當反覆多次沿著同一方向,一個區域接一個區域地把雜質「趕到」材料一端時,可純化材料的其餘部分;接下來,可在提純后的多晶材料上生長一層單晶體,這一工藝過程稱為晶體生長。具體做法是用一個籽晶與熔融(多晶)材料液面接觸,然後緩慢提拉籽晶,在籽晶下面就會生長出新的單晶體來。為了使單晶材料的導電類型、電阻率和力學性質滿足製作半導體器件的要求,還可向晶體內摻入適當的雜質。
將拉制好的單晶按晶體取向切成薄片,經磨削、拋光處理,製備成晶片。晶片處理需十分小心,在超凈車間進行,以避免污染。作為薄膜的載體,往往將晶片作為襯底(也稱基片)(sub-strate)。也有用玻璃、陶瓷、金屬和塑料作襯底的。對於微型結構,常用的襯底是玻璃和硅。為了使薄膜比較牢固地附著在襯底上,應選擇兩者相互浸潤好的材料;襯底的表面狀態對在其上生長的薄膜結構及其物理性質影響很大,許多情況下對襯底表面活化處理可增加膜的附著力。襯底表面處理方法很多,如水洗法、溶劑清洗法、超聲清洗法、離子轟去法、射線輻照法等,用以達到除掉表面物理和化學污染的目的;用研磨和蝕刻可改變表面粗糙度。用蝕刻法的加工單位是分子、原子量級的,幾乎不產生變質層,沒有加工的殘餘應力;對一些晶體,沿著解理面解理,也可得到超清潔的固體表面。

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