作 者:(韩)李基邦 著作 马晓军//吕强//王国胜//魏曙光 译者 定 价:180 出 版 社:国防工业出版社 出版日期:2014年04月01日 装 帧:精装 ISBN:9787118094329 ●暂无
内容简介
本书通过统一的方法和闭合解析法解决微机电问题中的微机电系统原理。首先对宏观和微观世界的基础无量纲参数进行了量纲分析，同时还介绍了微机电系统相关的精密加工技术。此外本书还介绍了静力平衡状态下静力学/力学和力矩对机械结构的影响、静态结构中的机械原理、适用于微机电系统电气性质的电磁学基本方程以及从制动器到特殊用途的传感器在内的微机电系统构建模块的整合等内容。
现代机械设计的精密基石：微机电系统（MEMS）导论 在追求极致性能、微型化和集成化的现代科技浪潮中，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）已成为一股不可忽视的驱动力。它将微小的机械结构、电子元件乃至光学器件巧妙地集成在同一块硅基芯片上，从而诞生出无数令人惊叹的应用，深刻地改变着我们的生活和工业生产方式。本书旨在为读者打开一扇深入理解MEMS原理、设计与应用的大门，勾勒出这一精密科学与工程领域的全景图。 一、MEMS的起源与发展：从宏观到微观的飞跃 MEMS并非横空出世，它的发展根植于半导体制造技术的演进。早期，半导体工业专注于集成电路（IC）的制造，通过光刻等工艺在硅片上蚀刻出微观的电子器件。然而，科学家们很快意识到，这些精密的制造技术同样可以用来构建微小的机械结构。20世纪70年代，随着微机械加工技术的初步发展，一些简单的微传感器如压力传感器开始出现，标志着MEMS时代的萌芽。 进入80年代，随着微机械加工技术的成熟和多元化，MEMS的应用范围迅速拓展。各种类型的微传感器（如加速度计、陀螺仪、麦克风、惯性传感器等）、微执行器（如微型阀门、微马达、微反射镜等）以及微流控器件不断涌现。90年代以来，MEMS技术更是迎来了爆发式增长，与信息技术、生物技术、医疗技术等交叉融合，催生了智能手机中的各种传感器、汽车安全系统中的气囊传感器、医疗诊断设备中的微阵列芯片，以及航空航航天领域的高精度测量仪器等。如今，MEMS已不再是实验室里的前沿探索，而是渗透到我们生活的方方面面，成为现代机械设计不可或缺的精密基石。 二、MEMS的核心技术：微纳尺度上的精雕细琢 MEMS的实现离不开一系列独特的微纳加工技术。这些技术的核心在于如何在微米甚至纳米尺度上精确地构筑三维结构，并与电子元件实现可靠集成。 微机械加工技术（Micromachining）： 这是MEMS制造中最具代表性的技术。它主要分为两类： 体硅加工（Bulk Micromachining）： 利用湿法蚀刻（如KOH、TMAH）或干法蚀刻（如深反应离子刻蚀，DRIE）等技术，从硅体内部选择性地移除材料，形成三维结构。这种技术适用于制造较厚的、具有较大位移的机械部件，例如悬臂梁、薄膜、谐振器等。DRIE技术更是突破了传统湿法蚀刻的各向同性限制，能够实现高深宽比、高精度、高侧壁垂直度的结构，为制造复杂的MEMS器件提供了可能。 表面硅加工（Surface Micromachining）： 在硅衬底表面沉积一层或多层牺牲层和结构层，然后通过选择性地去除牺牲层，保留结构层形成微型机械结构。这种技术通常用于制造较薄的、具有复杂形状的微型机械件，如齿轮、微镜阵列、微执行器等。其优点在于易于实现高集成度，缺点是结构层厚度受限。 微电子工艺（Microelectronics Fabrication）： MEMS器件通常需要与电子控制电路集成，因此，微电子工艺是MEMS制造不可或缺的一部分。通过光刻、沉积、扩散、离子注入、金属化等标准半导体工艺，在同一芯片上构建出驱动和控制MEMS器件所需的电子线路。 封装技术（Packaging）： MEMS器件通常对环境敏感，例如容易受到灰尘、湿气和机械应力的影响，因此，可靠的封装至关重要。MEMS封装不同于传统的电子元件封装，它需要考虑器件的运动空间、气体流通、应力隔离等特殊需求。例如，对于需要运动的MEMS器件，需要在封装过程中提供足够的空间，并避免封装材料对器件产生应力。对于需要真空环境的器件，则需要进行真空封装。 材料科学（Materials Science）： MEMS器件的性能很大程度上取决于所使用的材料。除了硅以外，近年来，聚合物、陶瓷、金属、玻璃等材料在MEMS领域的应用也日益广泛，为MEMS器件的设计和功能拓展提供了更多可能性。例如，柔性MEMS器件的兴起，就离不开新型柔性材料的研发。 三、MEMS的工作原理：微观世界的力学与电学的交响 MEMS器件之所以能够实现各种功能，源于微观尺度下多种物理效应的巧妙运用，尤其是力学与电学的相互作用。 传感器原理： MEMS传感器通过将被测量的物理量（如压力、加速度、温度、光、化学物质等）转化为可测量的电信号来实现测量。其核心在于利用微观机械结构的变形、位移、振动或材料性质的变化来响应外部环境的变化。例如： 压阻效应： 当对半导体材料施加应力时，其电阻会发生变化。MEMS压力传感器常常利用这一效应，通过微型硅梁的变形产生的应力来改变硅的电阻，从而测量压力。 电容效应： 当两个导体之间的距离或相对面积发生变化时，它们之间的电容会发生变化。MEMS加速度计和陀螺仪通常利用这一原理，通过微型梳齿结构或可动隔板的相对位移来改变电容，从而检测运动。 压电效应： 某些晶体材料在受到机械应力时会产生电荷，反之，在施加电场时会发生形变。MEMS麦克风和扬声器常利用压电材料，通过振膜的振动产生电信号或通过电信号驱动振膜振动。 热敏效应： 材料的电阻、热导等参数会随温度变化。MEMS温度传感器和气体传感器利用材料的热敏特性来检测温度变化或化学物质的存在。 光学效应： 例如，微型反射镜（DMD）的偏转可以控制光线的方向，用于显示技术。 执行器原理： MEMS执行器则相反，它将电信号转化为微观的机械运动，从而实现驱动、操纵或调控。常见的驱动方式包括： 静电驱动： 利用电荷之间的吸引力来产生运动。这是MEMS中最常用的驱动方式之一，尤其适用于制造微型开关、微阀门和微镜。 静磁驱动： 利用电磁感应产生的磁场力来驱动微型部件。 压电驱动： 利用压电材料的逆压电效应，在施加电场时产生形变，从而驱动微型机械结构。 热膨胀驱动： 利用材料在加热时发生膨胀的原理来产生运动。 四、MEMS的应用领域：无处不在的微观智能 MEMS技术以其独特的优势，在几乎所有高科技领域都扮演着至关重要的角色，深刻地改变着产品的性能和功能。 消费电子： 这是MEMS应用最广泛的领域。智能手机、平板电脑、智能手表等设备中，几乎都集成了多种MEMS传感器，如加速度计（用于屏幕方向切换、计步）、陀螺仪（用于运动感知、导航）、麦克风（用于语音输入、降噪）、气压计（用于高度检测、天气预报）、指纹传感器等。此外，MEMS技术还被用于硬盘驱动器的读写头、微型扬声器和振动马达。 汽车工业： MEMS在汽车安全、动力控制和舒适性方面发挥着核心作用。例如，汽车安全气囊系统中的加速度计用于检测碰撞并及时引爆气囊；防抱死制动系统（ABS）和电子稳定控制系统（ESC）中的陀螺仪和加速度计用于监测车辆的运动状态；发动机管理系统中的压力传感器用于精确控制燃油喷射和排放；轮胎压力监测系统（TPMS）中的压力传感器则保障行车安全。 医疗健康： MEMS技术正在深刻地改变着医疗诊断、治疗和监测。微型化、高精度的MEMS生物传感器可以用于血糖监测、DNA测序、疾病诊断。微流控芯片（Lab-on-a-chip）则集成了实验室的多种功能，能够实现微量样品的快速分析。微型手术机器人、药物输送系统等也离不开MEMS技术的支持。 航空航天： 在极端环境下，MEMS的高精度、高可靠性和低功耗特性显得尤为重要。 MEMS惯性导航系统（INS）为飞机、导弹和航天器提供精确的位置和姿态信息。MEMS压力传感器用于飞行控制和环境监测。微型化的MEMS器件还可以集成到空间站和探测器中，用于科学实验和数据采集。 工业自动化与物联网（IoT）： MEMS传感器为工业设备的状态监测、故障预测和流程优化提供了海量数据。智能家居、智能楼宇、智能农业等物联网应用，也都广泛依赖于各种MEMS传感器来感知环境、收集数据并实现智能化控制。 通信领域： MEMS振荡器可以提供高精度、低功耗的参考时钟信号，取代传统的石英振荡器，在各种通信设备和数据中心中得到应用。MEMS滤波器和射频开关等也为移动通信设备的微型化和高性能化做出了贡献。 五、MEMS的未来展望：持续创新，无限可能 MEMS技术的发展并非止步不前，它正朝着更深层次的集成化、智能化、柔性化和生物集成化方向发展。 系统级集成（System-on-Chip/System-in-Package）： 将更多的MEMS器件、电子电路甚至光学元件集成到同一芯片上，实现更高的性能、更低的功耗和更小的体积。 智能化与自适应性： 赋予MEMS器件更多的“大脑”，使其能够进行初步的信号处理、数据分析，甚至具备一定的学习和自适应能力。 柔性与可穿戴MEMS： 结合柔性电子技术，开发可弯曲、可拉伸的MEMS器件，用于可穿戴设备、医疗植入物等领域。 生物MEMS（Bio-MEMS）： 将MEMS技术与生物学、医学相结合，开发用于生命科学研究、疾病诊断和治疗的新型微型化生物系统。 先进制造技术： 探索新的材料、新的加工工艺，例如3D打印技术在MEMS制造中的应用，将有助于实现更复杂、更高效的MEMS器件。 本书的编写，正是为了梳理MEMS领域的核心概念、关键技术和发展趋势，为有志于投身这一领域的学生、研究人员和工程师提供一个坚实的基础。通过深入理解MEMS的原理，我们能够更好地把握科技发展的脉搏，设计出更具创新性和竞争力的产品，为构建更美好的未来贡献力量。
对于我这样一个对物理和工程概念都有些模糊的文科背景人士来说，能够理解《微机电系统原理》这本书，实属不易，但这恰恰证明了马晓军先生写作的功力！这本书在解释MEMS核心概念时，用了非常形象的比喻和类比，让我这个门外汉也能大致领会其中的精髓。我尤其喜欢作者在介绍MEMS的工作原理时，总是会从宏观的现象出发，然后逐步深入到微观的机制。比如，在解释压电效应和静电驱动时，作者就用到了生活中很多常见的例子，让抽象的物理概念变得鲜活起来。书中对于MEMS的传感器和执行器的介绍，也做得非常到位，让我了解了那些平时生活中默默工作的微小器件，是如何感知世界、如何施加影响的。我印象最深的是书中关于MEMS陀螺仪和加速度计的讲解，作者并没有一味地堆砌公式，而是通过一个又一个引人入胜的故事，让我理解了它们是如何工作的，又是如何被应用到智能手机、汽车导航等领域的。这本书不仅仅是一本技术书籍，更是一本能够引发思考的科普读物，它让我看到了科技改变生活的强大力量，也让我对未来充满了期待。