微机电系统工程基础PDF电子书下载

第1章　微机电系统概述 1

1.1　引言 1

1.1.1 多年来的期盼 1

1.1.2　发生在20世纪90年代的故事 2

1.2　小机械，大机会 3

1.2.1 三十年的积累 3

1.2.2 第一个丰收的季节 5

1.2.3　微型科技发展的动力 7

1.2.4　小机械包含着大课题 10

1.3　什么是微机电系统 12

1.3.1　微机电系统的定义 12

1.3.2　微机电系统的尺寸 13

1.3.3　微型机械与微电子和普通机械的差异 14

1.4　本书内容 16

1.5　有关的刊物、会议和网站 17

参考文献 20

第2章　微机电系统的制作（上） 21

2.1 引言 21

2.1.1　微细机械加工的特点 21

2.1.2 关于加工单位的概念 22

2.1.3 常用的微细加工方法的分类 22

2.2　微型机械中使用的IC工艺 23

2.2.1 IC工艺的概况 23

2.2.2 IC工艺的主要步骤 24

2.3　硅微结构制作工艺 38

2.3.1 体微机械加工技术（Bulk Micromaching） 38

2.3.2 键合技术（Bonding） 52

2.3.3　表面微机械加工技术（Surface Micromaching） 55

2.3.4　封装 61

参考文献 63

第3章　微机电系统的制作（下） 64

3.1　传统的超精密加工方法的概述 64

3.1.1 微细磨削加工 64

3.1.2　微细磨料加工 65

3.1.3 微细放电加工（MEDM） 66

3.1.4 金属丝放电磨削加工（WEDG） 66

3.2　特种加工工艺 69

3.2.1　激光束微细加工技术 69

3.2.2 电子束微细加工技术 70

3.2.3　聚焦离子束（FIB）微细加工技术 72

3.3　LIGA工艺 74

3.3.1　概述 74

3.3.2 同步辐射X射线光刻 74

3.3.3 LIGA工艺流程 75

3.4　快速成型技术 77

3.5　用隧道显微镜进行微细加工 82

3.5.1 隧道效应与STM 82

3.5.2　其他类型的隧道显微镜 84

3.5.3　用隧道显微镜进行微细表面加工 85

3.6　最近发展的微纳米工艺 88

3.6.1 多光子吸收聚合技术（MAP） 88

3.6.2　质子束刻写 91

参考文献 93

第4章　常见的微型器件（上）——几种典型的微传感器及其工作原理 95

4.1　概述 95

4.1.1　定义 95

4.1.2　传感器工作原理及应遵循的法则和定律 97

4.2　传感器分类和性能指标 97

4.2.1　传感器的分类 97

4.2.2　传感器性能的指标 97

4.3　微型力学传感器及其工作原理 99

4.3.1 微型力（力矩）传感器（Micro Force(Moments)Sensors） 99

4.3.2　微型压力传感器（Micro Pressure Sensors） 103

4.3.3　微型加速度计（Micro Accelerometer） 106

4.3.4　微型陀螺（Micro Gyroscope） 111

4.3.5　微型触觉传感器（Micro Tactile Sensors） 116

4.4　微型生物医学传感器（Micro Biological Sensors） 118

4.4.1 悬臂梁式生物传感器 119

4.4.2　石英晶体微天平传感器（QCM or MQCM） 124

4.4.3　光学生物传感器 128

4.5　微型图像传感器（Micro Image Sensors） 129

4.5.1　CCD图像传感器 129

4.5.2　具有三维结构的固体图像传感器 129

4.6　化学传感器 130

4.6.1 气敏传感器 130

4.6.2 电子鼻 132

4.6.3　气相色谱仪 134

4.7　微型传感器的特点 135

参考文献 137

第5章　常见的微型器件（中）——几种典型的微执行器及其工作原理 138

5.1　常用微型执行器的致动机理 138

5.1.1　静电致动的机理 138

5.1.2　压电致动的机理 140

5.1.3　热致动的机理 143

5.1.4　形状记忆合金致动的机理 145

5.1.5　电磁致动的机理 149

5.2　几种典型的微型执行器 149

5.2.1　微马达（Micro Motors） 149

5.2.2　微型阀（Micro Valves） 153

5.2.3　微型泵（Micropump） 157

5.2.4　其他微致动机构 161

5.3　微型执行器的特点和比较 164

参考文献 166

第6章　常见微型器件（下）——几种典型的微结构和微系统 167

6.1　微结构 167

6.1.1　微型铰链、微型轴承 167

6.1.2　微型弹簧 168

6.1.3　微型继电器、微型保险丝 169

6.1.4　微探针 169

6.1.5　微型人工细胞融合系统 170

6.1.6　仿壁虎粘附阵列 171

6.2　微型机构 173

6.2.1　微型连杆传动机构 173

6.2.2　微型齿轮传动机构 173

6.2.3　微型链传动机构 174

6.2.4　微型平行四边形机构 174

6.2.5　微型梳状机构 175

6.2.6 柔性机构（微型机器人的手和脚） 176

6.3　微系统 176

6.3.1　微型数字显示器 176

6.3.2　微光纤开关系统 178

6.3.3　生物芯片实验室 179

6.3.4　纳卫星 180

6.3.5　微型飞行器 181

5.3.6　微型化学反应系统 184

6.3.7　微细作业与装配系统 185

6.3.8　微型机器人 189

6.4　含有微器件的系统 191

6.4.1　汽车安全气囊系统 191

6.4.2　数码相机 192

参考文献 193

第7章　微检测技术 195

7.1　微细材料力学特性的检测 195

7.1.1　常用材料的力学参数 195

7.1.2　细微材料基本力学量的检测 197

7.1.3　微摩擦力的检测 201

7.1.4　用于MEMS的材料实验机 202

7.2　微结构应力应变的测量 209

7.2.1 位移法测应力应变 209

7.2.2　屈服法测应力应变 209

7.2.3　偏转法测应力应变 211

7.3　微执行器运动速度的检测 211

7.3.1　频闪法测转速 211

7.3.2 用光纤传感器测转速 211

7.3.3 内藏光伏器件测转速 212

7.3.4　运动参数测试仪 212

7.4　微结构动态参数的识别 212

7.4.1　独特的激励技术 212

7.4.2　各种检测方法 215

7.5　微小几何尺寸测量 223

参考文献 225

第8章　微机电系统相关的固体力学基础知识 227

8.1　固体力学知识简介 227

8.1.1 什么是固体力学 227

8.1.2 固体力学的研究内容 227

8.1.3 固体力学的学科分支 228

8.1.4 固体力学在工程中应用 228

8.1.5 固体力学的基本假设 228

8.1.6 固体力学的本构方程 229

8.1.7 固体力学的研究方法 230

8.2　微机电系统中应用的固体力学知识 231

8.2.1 梁与板的静力变形分析 231

8.2.2　膜片的静载弯曲 237

8.3　振动力学知识 238

8.3.1　振动的力学模型 238

8.3.2　微机电系统中常见的振动分析 242

8.4　断裂失效与材料的断裂韧性、疲劳极限 248

8.4.1　脆性断裂及断裂韧性 248

8.4.2　疲劳断裂 250

8.5　表面力与粘附失效 251

8.5.1　微结构中表面力的影响 251

8.5.2　粘附失效 252

8.5.3　微摩擦及其对微结构的影响 253

8.5.4　薄膜的残余应力 254

8.6　封装及热失效 255

8.6.1　封装及其分级 255

8.6.2　封装失效 256

参考文献 257

第9章　微机电系统的设计和建模 258

9.1　微机电系统的设计 258

9.1.1　按设计的目的分类 258

9.1.2　设计时需要考虑的几个因素 259

9.2　关于建模 259

9.2.1　建模的概念 259

9.2.2　微机电系统建模的级别 260

9.2.3　微型机械分级别建模举例 263

9.3　微结构建模时应考虑的因素 274

9.3.1　非线性 274

9.3.2　复合结构 275

9.2.3　残余应力 275

9.3.4　尺度效应 276

9.3.5　耦合效应 282

9.4　微机电系统设计实例 282

9.5　微机电系统数值分析方法 293

9.5.1　有限元方法简介 293

9.5.2 常用MEMS的设计软件 295

参考文献 296

第10章　微尺度流体力学的相关基础知识 298

10.1 引言 298

10.2　宏观流体力学基础回顾 299

10.3　微尺度流动的基本特征 300

10.4　微尺度液体流动 305

10.4.1　低渗多孔介质中的微流动 305

10.4.2　动电效应与电渗泵 307

10.5　微尺度气体流动 309

10.5.1　滑移边界条件 309

10.5.2　剪切流动 313

10.5.3　压力驱动微管道流动 316

10.5.4　直接模拟Monte Carlo方法 327

参考文献 329

第11章　微尺度传热基础知识 331

11.1　引言 331

11.2　传热学基本概念 332

11.2.1 热传导 332

11.2.2　热对流 338

11.2.3　热辐射 339

11.3　微米介质中的热传导 341

11.3.1　传热学尺度效应 341

11.3.2　Fourier定律适用性及各向异性传热 342

11.3.3　热传导边界散射效应 345

11.3.4 薄膜的Casimir极限 345

11.3.5　热导率的尺度效应 346

11.3.6　薄膜比热容的尺度效应 348

11.3.7　接触热阻（薄膜—基底） 348

11.4　微尺度对流换热 349

11.4.1　连续性假设 349

11.4.2　尺寸效应 351

11.4.3　非连续性机理 352

11.5　微尺度辐射换热 360

11.5.1　概述 360

11.5.2　辐射类型 361

11.5.3　空间微尺度辐射区域划分 362

11.5.4 时间微尺度下的辐射现象 363

11.5.5 结构微尺度下的辐射现象 364

11.5.6　薄膜辐射性质的厚度依赖特性 364

11.6　微尺度技术强化传热 365

11.6.1　现代电子器件冷却方法 365

11.6.2　微尺度通道 366

11.6.3　微热管 367

参考文献 369