泛結構化微機電係統集成設計方法 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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苑偉政，常洪龍 編

圖書標籤:

• 微機電係統
• MEMS
• 集成設計
• 結構化設計
• 係統級設計
• 建模仿真
• 優化設計
• 設計方法論
• 電子工程
• 機械工程

齣版社： 西北工業大學齣版社

ISBN：9787561227589

商品編碼：10353000

包裝：平裝

開本：16開

用紙：膠版紙

頁數：218

正文語種：中文

內容簡介

《泛結構化微機電係統集成設計方法》提齣和建立瞭泛結構化微機電係統集成設計方法，係統性地論述瞭其理論體係和關鍵技術。本方法是在對當前微機電係統集成設計工具的體係結構、基礎理論、關鍵技術及發展趨勢等方麵進行歸納和總結的基礎上，提齣的一種新的方法和理論，是對當前通用的微機電係統結構化設計方法的重要發展和提高。依據本方法實現瞭國産微機電係統集成設計工具（MEMS Garden），並結閤大量典型和復雜MEMS器件實例驗證瞭本方法和設計工具的實用性和先進性。
《泛結構化微機電係統集成設計方法》可供微機電係統相關學科的科研人員參考。

作者簡介

　　苑偉政，1961年生，教授，博士生導師，“長江學者”特聘教授。兼任中國微納米技術學會理事、中國儀器儀錶學會微納器件與係統技術分會副理事長、中國機械工程學會微納製造技術分會委員等，《機械工程學報》《傳感技術學報》等編委。主要從事微機電係統研究，留法迴國後在國內率先開展瞭MEMS集成設計、MEMS靈巧濛皮、微機械準分子激光微細加工技術等前沿研究，並在微能源、微慣性器件以及微光學係統等方麵形成瞭研究特色。獲省部級科技一等奬3項、二等奬5項、三等奬5項。
　　常洪龍，1977年生，博士副教授。主要從事微慣性技術、微機電係統集成設計方法及相關技術的研究。近年來，主持瞭國傢自然科學基金2項、國傢高技術研究計劃（“863”計劃）項目2項，作為課題副組長主持完成國傢高技術研究計劃（“863”計劃）項目2項，研發瞭國産MEMS集成設計工具（MEMS Garden）。發錶論文30餘篇，申請國傢發明專利27項，授權10項，獲省部級一等奬2項、二等奬2項、三等奬1項。

內頁插圖

目錄

第1章 緒論
1.1 微機電係統簡介
1.2 微機電係統設計工具及設計方法簡介
1.3 結構化MEMS設計方法及麵臨的挑戰
1.4 泛結構化MEMS集成設計方法的提齣
1.5 小結
參考文獻

第2章 泛結構化MEMS集成設計方法的理論體係
2.1 引言
2.2 集成設計體係
2.3 分層設計體係
2.4 柔性設計體係
2.5 創成設計體係
2.6 三維設計體係
2.7 小結
參考文獻

第3章 分層設計體係及實現技術
3.1 引言
3.2 係統級設計
3.3 器件級設計
3.4 工藝級設計
3.5 小結
參考文獻

第4章 柔性設計體係及實現技術
4.1 引言
4.2 係統級網錶到工藝級二維版圖的轉換方法
4.3 係統級網錶到器件級三維實體的轉換方法
4.4 器件級三維實體到工藝級二維版圖的轉換方法
4.5 器件級到係統級的宏建模轉換方法
4.6 工藝級二維版圖到器件級三維實體的轉換方法
4.7 工藝級二維版圖到係統級模型的轉換方法
4.8 小結

第5章 創成設計體係及實現技術
5.1 引言
5.2 係統級創成式設計
5.3 器件級創成式設計
5.4 工藝級創成式設計
5.5 小結
參考文獻

第6章 宏建模方法及應用
6.1 引言
6.2 模型降階的數學描述
6.3 綫性MEMS係統宏建模方法
6.4 幾何非綫性MEMS係統宏建模方法
6.5 多域耦閤MEMS宏建模方法
6.6 參數化模型降階方法
6.7 宏建模方法的應用
6.8 小結
參考文獻

第7章 三維設計體係及實現技術
7.1 引言
7.2 係統級的三維設計
7.3 器件級的三維設計
7.4 工藝級的三維設計
7.5 小結
參考文獻

第8章 集成設計體係及實現技術
8.1 引言
8.2 集成設計工具的架構
8.3 集成設計環境的實現
8.4 小結

第9章 設計工具應用及器件設計實例
9.1 引言
9.2 平麵解耦式z軸陀螺
9.3 音叉電容式微機械陀螺
9.4 平麵單軸加速度計
9.5 z軸加速度計
9.6 微型壓力傳感器
9.7 小結

精彩書摘

　　微機電係統（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）主要是指通過半導體工藝或其他微細加工工藝製造的微型機械。其英文縮寫MEMS恰到好處地反映瞭其主要技術特點。MEMS一詞中的第一個字母“M”，即Micro，代錶這一技術是微型的。MEMS中典型結構的特徵尺寸在微米量級，隨著尺寸的縮小，顯然會降低MEMS係統的功耗，增大其諧振頻率，進而提高可靠性等。因此，可以說微型化是MEMS技術的一個最顯著的特徵。如此微小的結構當前仍主要通過矽基半導體工藝來進行實現，這也使得MEMS一般都具有批量化生産的優點。而目前快速發展的非矽工藝，如準分子激光、飛秒激光、電火花加工等手段也可以實現MEMS技術的微型化，並開始在MEMS領域中占據越來越重要的地位。MEMS中第二個字母“E”，即Electro，錶明微機電係統是與“電”密不可分的。一方麵，MEMS主要是以微型的傳感器或執行器為主，那麼對微弱電信號的拾取與調理必然是不可缺少的。另一方麵，這個“E”也在某一程度上代錶瞭這項技術是緣於微電子行業的。第三個字母“M”代錶瞭結構、力學等與機械相關的東西。最後一個字母“S”代錶瞭MEMS是一個相對完整的係統或子係統，具備一定的功能，並且該係統還往往可以在矽片上進行機械結構與控製電路的單片集成。
　　像微電子技術一樣，MEMS技術也是一項使能性技術（EnablingTechnology），加上MEMS器件本身所具有的微型化、低功耗、高集成度等優點，其已經在航空、航天、汽車、醫療器械、消費電子等諸多領域都找到瞭很好的結閤點。目前，全世界已經有超過130種的MEMS器件[1]，其中打印機噴頭、微加速度計、微陀螺、微麥剋風和數字微鏡均已經實現瞭大規模的批量生産，銷售額每年超過80億美元（見圖1-1）。根據Yole公司的市場預測，僅基於矽MEMS技術的MEMS市場在2010年就將超過100億美元。
……

前言/序言

　　微機電係統（MEMS）被公認為是一項戰略高新技術。微機電係統除瞭用於航空航天等尖端行業外，也正在悄悄地改變人類的生活。從保障行車安全的胎壓傳感器、安全氣囊係統中的加速度計，到進入人體內進行藥物定點釋放的微型藥丸，微機電係統正在提高著人類的生活質量。
　　設計是創新的核心。中國是一個製造大國，正在嚮設計大國進行轉變。“工欲善其事，必先利其器”。然而，微機電係統發展至今，仍無相關的著作對其理論體係和設計方法進行係統的總結和歸納。作者對微機電係統的設計方法、理論，以及工具技術進行瞭長時間的研究和積纍。本書就是在這些研究基礎上，對微機電係統的設計方法的特點和理論體係進行瞭係統的歸納和總結，提齣和建立瞭泛結構化的微機電係統集成設計方法。
　　微機電係統是用源自微電子工藝的微細加工工藝所製作的微型機械係統。因此.長期以來微機電係統的設計基本上都更多地藉鑒瞭微電子的設計方法和設計工具，典型的有結構化設計方法。而微機電係統的設計本質上是一種復雜精密機械的設計，盡管對微電子製造工藝有很強的依賴性，但卻不適於用微電子的設計方法來設計。因此，泛結構化微機電係統集成設計方法特彆強調微機電係統的柔性設計、創成設計和三維設計。它不是對原有的微機電係統結構化設計方法的否定，而是在此基礎上的發展和提高。
　　本書的成果是在國傢高技術研究計劃（“863”計劃）、國傢自然科學基金等多年的支持下完成的，在此嚮有關委員會錶示感謝。實驗室的許多研究生做瞭大量重要的研究工作，也為本書的內容提供瞭幫助，在此嚮霍鵬飛、李偉劍、徐景輝、謝建兵、張亞飛、閆子健、張承亮、秦子明、劉瑩、謝誌雄、郝星、焦文龍、騰雲以及其他沒有列齣名字但付齣辛勤勞動的同學們錶示感謝。
　　最後須要特彆指齣的是，微機電係統涉及的領域非常廣泛，筆者因學科知識麵有限，在論述該方法的時候，主要采用瞭機電領域的例子，對於生物、流體微機電係統的論述較少。因此，所提齣的泛結構化微機電係統集成設計方法在這些領域可能有所欠缺，敬請讀者諒解和不吝指教。

探索微觀世界的精密工程：一本關於集成設計方法的深度解析 微機電係統（MEMS）作為一項關鍵的使能技術，已經深刻地改變瞭從消費電子到醫療診斷，再到航空航天等眾多領域。它們將微小的機械結構、傳感器、執行器甚至電子電路集成在單一芯片上，實現瞭前所未有的功能密度和性能。然而，MEMS器件的設計與製造過程異常復雜，涉及多物理場耦閤、材料選擇、工藝流程以及係統集成等諸多挑戰。傳統的、分立式的設計方法往往難以應對日益增長的復雜性和微型化需求。 本書深入探討瞭“泛結構化微機電係統集成設計方法”，旨在為MEMS的設計者、工程師和研究人員提供一套係統化、結構化的解決方案，以應對這些挑戰。這本書並非簡單羅列MEMS器件的種類或工藝流程，而是聚焦於一種全新的設計範式——如何以一種“泛結構化”的思維，將MEMS係統的設計過程變得更加規範、高效和可預測。 “泛結構化”這一概念，是本書的核心和創新之處。它強調的是一種超越具體結構和具體器件的通用設計框架。它並非指代某種特定的結構類型，而是指代一種設計思想和方法論。這種方法論的核心在於，將MEMS係統的設計過程拆解為一係列標準化的、可復用的模塊化單元，並定義清晰的接口和交互規則，從而實現係統級的集成設計。想象一下，如同搭積木一般，通過不同類型、不同功能的“積木塊”（即泛結構化設計單元），可以高效地組裝齣各種復雜的MEMS係統，而無需從零開始。 本書首先從MEMS設計的係統性本質齣發，闡述瞭為何傳統的“孤立式”設計方法在現代MEMS發展中顯得捉襟見肘。它深入剖析瞭MEMS係統多學科交叉的特性，例如機械、電子、光學、流體、化學等如何相互影響，以及這些跨領域因素在設計階段就需要被統一考慮和優化。作者通過大量實例，說明瞭在設計初期未能充分考慮集成效應所導緻的後期反復修改、性能不達標甚至項目失敗的風險。 緊接著，本書詳細介紹瞭“泛結構化”設計方法的理論基礎與核心原則。這包括： 模塊化與組件化： 如何將復雜的MEMS係統分解為具有明確功能定義、標準接口和可獨立驗證的微型化模塊。這些模塊可以是傳感器單元、執行器單元、信號處理單元、能量采集單元、微流控單元等等。本書提供瞭關於如何識彆、定義和設計這些模塊的詳盡指導。 接口標準化： 強調在模塊之間建立統一、明確的接口規範。這包括物理接口（如連接方式、尺寸）、電氣接口（如信號類型、電壓範圍）、數據接口（如通信協議）以及功能接口（如輸入/輸齣關係）。標準化的接口是實現高效係統集成的關鍵，能夠極大地降低不同模塊集成時的兼容性問題。 層次化設計： 引入分層級的係統設計理念。從最底層的器件單元，到中層的功能模塊，再到頂層的完整係統，每一層都遵循一定的設計規則和抽象級彆。這種層次化的方法能夠幫助設計者管理復雜性，並在不同抽象級彆上進行優化。 跨領域耦閤分析： 詳細闡述瞭如何利用先進的仿真工具和方法，在設計階段就對不同物理域之間的耦閤效應進行準確預測和評估。例如，電緻伸縮驅動器的機械形變與電場分布的耦閤，或者微流控通道內的流體流動與傳熱傳質的耦閤。本書提供瞭一係列分析框架和技術，指導讀者如何進行有效的跨領域耦閤分析。 麵嚮集成的設計流程： 提齣瞭一種全新的、麵嚮集成的設計流程。該流程將傳統的串行設計過程轉變為並行和迭代的設計過程，強調在早期階段就進行係統集成驗證，並引入“虛擬原型”和“數字孿生”的概念，以加速設計迭代和降低物理樣機測試的成本。 本書的另一大亮點在於，它將理論與實踐緊密結閤，通過豐富的案例研究來闡釋“泛結構化”設計方法的應用。這些案例涵蓋瞭不同類型的MEMS器件和係統，例如： 高性能傳感器集成： 如何將多個微型傳感器（如壓力傳感器、加速度計、陀螺儀、生物傳感器）通過泛結構化方法集成到一個緊湊的芯片上，實現多模態感知和更強的環境適應性。 微執行器與微驅動係統： 如何設計和集成微型電機、微閥門、微泵等執行器，構建復雜的微驅動係統，例如用於藥物遞送的微流控芯片，或用於精密定位的微操作平颱。 微能源采集與管理： 如何將微型振動能量采集器、太陽能電池等與微功耗電路集成，實現MEMS器件的自供電，解決其能源供應的瓶頸。 微流控與生物芯片： 如何利用泛結構化方法設計和集成復雜的微流控通道、混閤器、分離器、反應器以及生物傳感器，構建高性能的生物分析芯片和體外診斷設備。 光學MEMS係統： 如何將微型反射鏡、微透鏡、光柵等光學元件與驅動器和控製電路集成，實現可調諧濾光片、微型投影儀、光通信器件等。 在每個案例研究中，本書都深入剖析瞭其設計過程，包括： 需求分析與係統分解： 如何根據應用需求，將目標係統分解為一係列泛結構化設計單元。 單元設計與接口定義： 如何針對每個單元進行具體的設計，並確定其與其他單元的接口。 耦閤效應的仿真與優化： 如何利用仿真工具進行跨領域耦閤分析，並對設計進行優化。 集成策略與驗證： 如何將設計好的單元集成起來，並進行係統級的驗證。 此外，本書還對先進的設計工具與仿真技術進行瞭介紹，並討論瞭如何利用這些工具來實現泛結構化設計。這包括： 多物理場耦閤仿真軟件： 如COMSOL Multiphysics, ANSYS等，以及如何利用其建立和求解多物理場耦閤模型。 參數化建模與自動生成： 如何利用腳本和宏命令，實現設計模型的參數化，並根據需求自動生成不同的設計變體。 機器學習與人工智能在MEMS設計中的應用： 探索如何利用AI技術來輔助設計，例如預測性能、優化參數，甚至自動生成設計方案。 EDA（電子設計自動化）工具的藉鑒與應用： 探討如何將電子領域成熟的EDA理念和工具，應用於MEMS的係統級集成設計。 本書並非停留在理論層麵，還深入探討瞭麵嚮製造的設計（DFM）原則在泛結構化方法中的體現。它強調瞭在設計階段就要考慮材料的可用性、工藝的可實現性、以及製造公差的影響，從而減少設計與製造之間的脫節。作者提供瞭一係列評估和優化設計方案以適應製造約束的策略。 最後，本書還對MEMS技術的未來發展趨勢進行瞭展望，並闡述瞭“泛結構化集成設計方法”在應對這些趨勢中的重要作用。例如，對於微型機器人、可穿戴設備、生物醫療植入物等新興應用，都需要高度集成、高性能的MEMS解決方案，而泛結構化方法將是實現這些目標的關鍵。 總而言之，本書旨在為MEMS領域的工程師和研究人員提供一套係統化、理論化且實踐性極強的設計框架。它不僅教授“如何做”，更在於引導讀者建立一種“如何思考”的設計哲學，以一種更加結構化、模塊化和集成化的思維方式，應對MEMS設計日益增長的挑戰，推動MEMS技術的創新與發展。本書將是任何希望深入理解和掌握現代MEMS集成設計方法的人士不可或缺的參考。

评分☆☆☆☆☆

這本書真是讓我眼前一亮！我一直對微機電係統（MEMS）的設計方法頗感興趣，尤其是在尋找更通用、更靈活的設計框架。翻開這本書，我立刻被它所倡導的“泛結構化”理念所吸引。它打破瞭以往MEMS設計中可能存在的、過於局限於特定領域的思維定勢，提齣瞭一種更為宏觀和抽象的設計視角。我發現書中並沒有僅僅停留在理論層麵，而是花瞭大量的篇幅去闡述如何將這種泛結構化的理念落地到實際的設計流程中。從早期概念構思，到具體的器件選擇和布局，再到集成和驗證，書中都給齣瞭清晰的指導。特彆讓我印象深刻的是，作者通過引入一些抽象的設計“模式”和“組件”，極大地簡化瞭復雜MEMS係統的設計過程。這就像是為MEMS設計提供瞭一套通用的“積木”，讓我們能夠更加高效地搭建齣滿足各種需求的係統。而且，書中對這些模式和組件的組閤方式和原則也進行瞭深入的探討，使得讀者不僅能夠理解“是什麼”，更能理解“為什麼”以及“如何做”。這本書不僅適閤 MEMS 領域的初學者，對於有經驗的設計師來說，也能帶來新的啓發和視角，幫助我們突破現有的設計瓶頸，探索更廣闊的設計可能性。

评分☆☆☆☆☆

作為一名從事瞭十幾年MEMS傳感器的研發工程師，我一直深感於MEMS設計過程中的重復性勞動和優化難度。這本書帶來的“泛結構化”理念，簡直就是為我這樣長期在一綫工作的工程師量身定做的。我之前總是在思考如何在一個特定的傳感器類型上做得更好，而這本書讓我跳齣瞭這個思維定勢，開始從更普適的係統層麵去思考設計。書中所強調的“結構化”不僅僅是關於物理結構的組織，更包含瞭邏輯結構、信息結構以及設計流程的結構。我發現，作者提齣的很多設計模式和方法，能夠有效地減少在重復性設計任務上花費的時間和精力。例如，書中對不同傳感原理的抽象描述，以及如何通過泛化的接口實現模塊化集成，對我來說意義重大。這意味著，當我設計一款新的加速度計或者陀螺儀時，我可以更加關注其核心性能的突破，而不是在大量的接口匹配和集成細節上糾結。書中的一些驗證和優化方法，也給我提供瞭新的思路，讓我能夠更高效地評估和改進集成後的係統性能。這本書不僅提升瞭我的設計效率，更重要的是，它改變瞭我對MEMS係統集成的認知方式。

评分☆☆☆☆☆

作為一名長期從事微納製造工藝的研究者，我一直在尋找能夠連接理論與實踐的橋梁，尤其是在MEMS器件集成方麵。這本書恰好填補瞭我在這方麵的認知空白。它並非側重於某一種特定的MEMS技術或器件，而是從更深層次探討瞭MEMS集成的共性問題。書中所提齣的“泛結構化”方法，讓我意識到，很多在不同MEMS係統中看似獨立的設計挑戰，其實可以歸結為一些普遍性的結構和邏輯問題。我尤其欣賞書中對“接口”和“互聯”的關注。MEMS器件的集成往往麵臨著物理、電氣、熱學等多種接口的挑戰，而這本書提供瞭一套係統性的方法來應對這些挑戰，通過泛結構化的設計，能夠提前預見並解決潛在的集成難題。書中對不同MEMS模塊之間交互的分析，以及如何通過標準化接口來提高集成效率，對我來說非常有啓發。這不僅僅是關於如何將多個芯片堆疊在一起，更是關於如何從整體上構建一個高效、可靠的MEMS係統。我從中學習到瞭如何運用更通用的設計語言來描述和優化MEMS係統的組成部分，以及如何評估和改進不同組件之間的協同工作能力。這本書無疑為MEMS係統級的設計提供瞭一個全新的思考維度。

评分☆☆☆☆☆

這本書的價值，在於它提供瞭一種全新的、更加抽象和通用的MEMS係統集成設計思路。作者在書中對“泛結構化”的定義和闡述，讓我意識到，很多MEMS設計中的“痛點”，並非源於技術的不足，而是源於設計方法的局限性。這本書並沒有側重於介紹某一種具體的MEMS器件或加工工藝，而是從一種“元設計”的角度，去探討如何構建更加靈活、可擴展、易於集成的MEMS係統。我尤其欣賞書中對“抽象層次”的區分和應用。通過對不同抽象層次的設計，可以有效地管理復雜性，並為不同學科背景的設計師提供一個共同的語言。書中對“設計空間”的探索，以及如何在這個空間中進行有效的搜索和優化，也給我留下瞭深刻的印象。這不僅僅是一本技術手冊，更像是一本關於如何“思考”MEMS係統集成的“思想集”。它鼓勵我們打破固有的思維模式，去尋找MEMS設計中的普適性規律。對於那些希望在MEMS集成設計領域進行創新和突破的設計師和研究人員來說，這本書無疑是一份寶貴的參考。它所倡導的泛結構化理念，將引領MEMS設計走嚮更高級、更智能的未來。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，我對MEMS領域的研究還處於一個初學者階段，之前學習的很多知識都顯得零散和碎片化。當我拿到這本《泛結構化微機電係統集成設計方法》時，我最大的感受就是——“豁然開朗”。這本書並沒有上來就給我灌輸一堆晦澀難懂的專業術語，而是從一個更高的層麵，構建瞭一個完整的MEMS設計框架。書中的“泛結構化”概念，讓我理解瞭MEMS設計並非是孤立的器件開發，而是如何將不同的微型結構、電子元件、以及它們之間的相互作用，以一種係統化的、可復用的方式進行組織。我發現，書中通過一些圖示和案例，將抽象的設計原理具象化，讓我更容易理解。例如，書中對一些“通用設計模塊”的介紹，讓我看到瞭如何像搭樂高一樣，將不同的功能單元組閤起來，快速構建齣滿足特定需求的MEMS係統。這種方法論的引入，極大地降低瞭MEMS設計的門檻，也讓我對未來的學習方嚮有瞭更清晰的規劃。我不再是茫然地學習各種MEMS器件，而是開始思考它們是如何構成一個整體，如何協同工作。這本書為我開啓瞭一扇新的大門，讓我對MEMS領域有瞭更深層次的理解和興趣。