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基本信息

书名:微纳系统技术与应用

定价：50.00元

售价：34.0元,便宜16.0元,折扣68

作者:姚军,汪为民著

出版社：科学出版社

出版日期：2011-08-01

ISBN：9787030321039

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.341kg

编辑推荐

微纳结构由于其尺度原因，经典物理中的某些理论、定律和常规的机械加工技术、光学显微检测手段已不再适用。因此，现代科技有针对性地发展了一套系统有效的研究方法来处理这一问题。姚军等的《微纳系统技术与应用》即以此为基础，阐述了微纳结构与系统的原理、发展与应用。全书共7章，章介绍了微纳系统技术的概念、研究领域、发展现状和前景；第2章阐述了微光学的基本理论和典型器件；第3章介绍了微机电系统的材料、传感器、执行器及几个典型应用；第4章介绍了微机电系统在微光学中的典型应用——微光机电系统；第5章概括了一些常见的微纳系统技术的微细加工技术；第6章介绍了纳机电系统；第7章通过实例对微纳系统技术的整个研发过程进行了分析。

内容提要

　　本书系统阐述了微纳结构与系统的知识，主要包括微纳系统的基本概念、所用材料、加工方法、在多学科交叉领域的具体应用等。另外，本书还详细探讨了微纳系统领域内一些热点研究方向的*成果，包括MEMS空间光调制器、MEMS开关、光纤传感器、气体传感器等，并按照设计、加工、测试、封装这一完整流程阐述了研发的方法和技巧，通过实例对各个研发环节的实践经验进行了简明介绍，这都有助于读者在实际工作中的参考。
　　本书可供微机械、光学工程、自动控制、先进制造等相关专业的教学、科研和工程技术人员阅读参考，也可作为相应领域高年级本科生和研究生教材。

目录

作者介绍

姚军博士，研究员，博士生导师。1992年9月进入四川大学物理系学习，2001年7月获得信息光学专业理学博士学位。2001年9月至2007年5月，先后在英国StrathclydeUniversity、Durham University和University CollegeLondon工作，研究方向分别为MEMS、微光学器件设计及检测和自适应光学。2007年6月入选中国科学院“百人计划”，进入中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室工作，主要研究方向为MEMS和自适应光学。2010年入选四川省首批“百人计划”。近年发表论文60余篇，其中，40余篇被SCI和EI检索，申请发明20余项。汪为民硕士，助理研究员。2006年7月毕业于南开大学物理学院物理学基地班，获理学学士学位，2009年7月毕业于清华大学物理系物理学专业，获理学硕士学位，同年进入中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室工作至今，主要从事MEMS设计与检测方面的研究工作。

文摘

序言

《微纳系统技术与应用》图书简介 内容概述 《微纳系统技术与应用》是一部深入探讨微纳系统（Micro- and Nano-Electromechanical Systems, MEMS/NEMS）领域核心技术、前沿进展及其广泛应用的书籍。本书系统性地梳理了微纳系统的设计、制造、表征以及驱动与传感等关键环节，并在此基础上，详细介绍了微纳技术在生物医学、通信、能源、环境监测、消费电子、航空航天等多个重要领域的创新性应用。本书旨在为相关领域的科研人员、工程师、研究生以及对微纳技术感兴趣的读者提供一个全面、深入的学习和参考平台。 章节详情 第一部分：微纳系统技术基础 第一章：微纳系统的概念与发展历程 1.1 微纳系统的定义与范畴 详细阐述微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）的基本概念，区分其尺寸、制造工艺和性能特点。 探讨微纳系统作为集成化、微型化、智能化器件的独特优势，例如体积小、功耗低、成本效益高、可批量生产等。 分析微纳系统在现代科技发展中的战略地位，以及其作为“芯片上的实验室”（Lab-on-a-chip）和“万物互联”（Internet of Things, IoT）关键支撑技术的作用。 1.2 微纳系统的发展简史与里程碑 追溯微纳系统技术从早期萌芽到蓬勃发展的关键历史阶段。 介绍硅微机械加工技术的诞生与演进，如体硅微加工（Bulk Micromachining）和表面硅微加工（Surface Micromachining）等。 回顾MEMS传感器（如压力传感器、加速度计）和执行器（如微阀、微泵）等早期代表性产品的出现及其对相关产业的推动作用。 分析纳米技术与微纳系统的结合，NEMS的兴起及其在更高灵敏度和集成度方面的潜力。 展望微纳系统技术的未来发展趋势，例如多功能集成、生物兼容性、可穿戴设备、柔性电子等。 第二章：微纳系统的设计与建模 2.1 微机械结构的设计原理 深入讲解微机械结构的几何设计、材料选择及其对性能的影响。 介绍梁、膜、悬臂梁、齿轮、弹簧等基本微结构的设计方法和力学分析。 探讨微纳系统中材料的特殊性，如硅、聚合物、金属、陶瓷等在微纳尺度下的力学、电学、热学特性。 讲解表面效应、体积效应、量子效应等在微纳尺度下对材料性能的影响。 2.2 微纳系统的多物理场耦合建模 阐述微纳系统往往涉及多种物理场（力学、电学、热学、流体、光学、化学等）的相互作用，需要进行多物理场耦合分析。 介绍有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）在微纳系统设计与仿真中的应用，重点讲解其在应力、应变、位移、电势、温度分布等方面的计算。 讲解静电驱动、压电驱动、热驱动、磁致伸缩驱动等不同驱动方式的机理及其在模型中的体现。 介绍微纳传感器中应变、电容、压阻、压电、热敏等传感机制的建模方法。 探讨模型简化技术，以提高仿真效率，如降维模型、等效电路模型等。 第三章：微纳系统的制造工艺 3.1 微加工技术 3.1.1 光刻技术：详细介绍光刻的基本原理、掩模版制作、光刻胶、曝光、显影等工艺流程，以及其在定义微纳结构图案中的核心作用。 3.1.2 刻蚀技术：区分干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE、深硅刻蚀 Bosch 工艺）和湿法刻蚀，深入讲解其机理、选择性、各向异性等特性，以及在材料去除中的关键作用。 3.1.3 薄膜沉积技术：介绍物理气相沉积（PVD，如溅射、蒸发）和化学气相沉积（CVD，如PECVD）等技术，讲解薄膜的成膜机理、厚度控制、均匀性以及对器件性能的影响。 3.1.4 表面微加工与体硅微加工：详细对比两种主要硅微加工方法的工艺流程、适用范围、优缺点，以及如何通过堆叠工艺制造复杂的三维微结构。 3.2 纳米制造技术 3.2.1 电子束光刻（EBL）：介绍EBL的高分辨率特性，用于制造亚微米甚至纳米尺度的结构，并讨论其在周期性结构制造和图案转移中的应用。 3.2.2 聚焦离子束（FIB）：讲解FIB的精确定位、材料去除和沉积能力，以及其在纳米结构加工、缺陷修复和原位表征中的应用。 3.2.3 自组装技术：探讨利用分子间作用力、化学反应或物理现象实现的纳米结构的自组织过程，如纳米颗粒自组装、DNA自组装等。 3.2.4 3D打印（增材制造）技术：介绍微纳尺度的3D打印技术，如微立体光刻（Micro-Stereolithography, µSL）、激光诱导前向转移（Laser-Induced Forward Transfer, LIFT）等，以及其在快速原型制作和复杂结构制造中的优势。 3.3 后处理与集成技术 介绍微纳器件制造完成后所需的后处理步骤，如表面清洗、钝化、封装等。 讲解微纳系统与宏观系统的连接技术，如键合技术（键合片键合、晶圆键合）、封装技术（盖帽封装、芯片级封装）、电气连接技术等。 探讨多芯片集成（Multi-chip integration）和三维集成（3D integration）在提高系统性能和功能方面的策略。 第四章：微纳系统的驱动与传感 4.1 微纳执行器 4.1.1 静电驱动：详细解释静电力在微机械结构中的应用，如梳状驱动器、悬挂驱动器等，分析其优点（低功耗、高集成度）和局限性（驱动电压高、易粘附）。 4.1.2 压电驱动：介绍压电效应，讲解压电薄膜（如PZT）在微纳执行器中的应用，如压电驱动微镜、微泵，分析其响应速度快、驱动力大的特点。 4.1.3 热驱动：阐述基于热膨胀效应或热应力效应的驱动原理，介绍双金属片、热膨胀驱动器等，分析其驱动力大但响应慢的特点。 4.1.4 电磁驱动：讲解微型线圈与磁场的相互作用产生的驱动力，介绍微型扬声器、微型马达等。 4.1.5 其他驱动方式：简要介绍形状记忆合金（SMA）驱动、流体动力驱动等。 4.2 微纳传感器 4.2.1 压阻式传感器：讲解应力或形变引起的电阻变化，介绍硅压阻效应及其在压力传感器、加速度计中的应用。 4.2.2 压电式传感器：利用压电材料在受力时产生电荷的原理，介绍压电式加速度计、麦克风、生物传感器等。 4.2.3 电容式传感器：分析结构形变引起的电容变化，介绍用于测量位移、压力、湿度等。 4.2.4 热敏式传感器：讲解温度变化对材料电阻或电压的影响，介绍热敏电阻、热电偶等。 4.2.5 光学传感器：介绍利用微纳结构与光相互作用的传感器，如微型光谱仪、光电探测器。 4.2.6 生物化学传感器：结合生物或化学识别元件，实现对特定物质的检测，如生物分子传感器、气体传感器。 4.3 信号处理与接口电路 讨论微纳传感器输出信号的微弱性和噪声问题，介绍放大电路、滤波电路的设计。 讲解模数转换（ADC）和数模转换（DAC）在数字信号处理中的作用。 介绍与微纳器件集成的ASIC（专用集成电路）的设计考虑。 第二部分：微纳系统应用领域 第五章：生物医学领域的应用 5.1 微流控芯片（Lab-on-a-chip） 详细阐述微流控技术在实现液体精确控制、混合、分离、反应等功能方面的原理。 介绍微流控芯片在基因诊断（PCR）、蛋白质分析、细胞分选、药物筛选、临床检测等方面的应用。 讨论微流控技术与微纳传感器的结合，构建高通量、低成本的生物分析平台。 5.2 生物传感器 介绍基于微纳技术的生物传感器，例如电化学生物传感器、光学生物传感器、压电生物传感器等。 讲解如何将酶、抗体、DNA等生物识别分子与微纳换能器结合，实现对葡萄糖、病原体、肿瘤标志物等特定生物分子的灵敏检测。 5.3 植入式微纳器件 介绍微型化、低功耗的植入式医疗设备，如人工耳蜗、起搏器、药物输送系统、神经接口等。 探讨微纳器件在组织工程、细胞培养、体内监测等方面的潜在应用。 5.4 微针阵列 介绍利用微纳加工技术制造的微针阵列，用于无痛给药、疫苗接种、皮肤穿透性研究等。 讨论微针的材料、尺寸、形状设计以及与药物载体的结合。 第六章：通信与信息技术的应用 6.1 光通信领域的微纳器件 介绍微光机电系统（MOEMS）在光通信中的应用，如可调谐光滤波器、光开关、光调制器、微镜阵列（用于光束转向）。 讲解MEMS微镜阵列在可编程光网络、光纤到户（FTTH）中的作用。 6.2 无线通信与射频（RF）MEMS 介绍RF MEMS开关、电容器、电感器等器件在射频电路中的应用，如用于提高信号质量、降低功耗、实现频率可调。 讨论RF MEMS在智能手机、无线通信基站、雷达等领域的应用前景。 6.3 传感器网络与IoT 讲解微纳传感器作为物联网（IoT）节点的核心组成部分，如何实现对环境（温度、湿度、气体、光照）和物理量的监测。 探讨微纳传感器在智能家居、智慧城市、工业自动化等领域的应用。 第七章：能源与环境领域的应用 7.1 微型能量采集器 介绍利用振动（压电、压阻）、光能（光伏）、热能（温差电）等环境能量源为微纳设备供电的微型能量采集器。 讨论其在为无线传感器节点、可穿戴设备等提供自给式能源方面的潜力。 7.2 微型燃料电池 介绍微型燃料电池的结构、工作原理以及在微型电子设备中的供能应用。 探讨其在便携式电子设备、微型机器人等方面的优势。 7.3 环境监测传感器 介绍微纳气体传感器（如NH3、CO、VOCs）、微纳水质传感器（如pH、重金属离子）等。 讨论其在空气质量监测、饮用水安全、工业废气检测等领域的应用。 7.4 微型过滤器与分离器 介绍用于过滤空气、水、生物样本的微纳尺度过滤器。 讨论其在空气净化、水处理、生物分离等领域的应用。 第八章：其他领域的应用 8.1 消费电子 介绍MEMS加速度计、陀螺仪在智能手机、平板电脑、游戏机中的姿态检测与交互应用。 讲解MEMS麦克风、扬声器在音频设备中的应用，以及MEMS触摸屏。 8.2 汽车电子 介绍MEMS在汽车安全系统（如安全气囊传感器、电子稳定控制ESC）、发动机控制、导航系统中的应用。 讨论其在提高汽车性能、安全性和燃油经济性方面的重要作用。 8.3 航空航天 介绍MEMS在惯性导航系统（INS）、姿态控制、微型传感器、微型推进器等方面的应用。 探讨其在微型卫星、无人机（UAV）等平台上的应用潜力。 8.4 工业自动化与机器人 介绍MEMS传感器在精密测量、过程控制、设备状态监测中的应用。 讨论微纳技术在制造微型机器人、执行器方面的潜力。 8.5 科学仪器 介绍MEMS在扫描探针显微镜（SPM）、微型质谱仪、微型光谱仪等精密测量仪器中的应用。 结论与展望 本书最后将总结微纳系统技术的发展现状，分析当前面临的技术挑战（如可靠性、成本、集成度、标准化等），并对微纳技术的未来发展方向进行展望，例如与人工智能、大数据、新材料的融合，以及在柔性电子、生物电子、量子信息等新兴领域的突破。 《微纳系统技术与应用》旨在为读者提供一个深入、全面、实用的微纳系统知识体系，激发创新思维，推动该领域的科学研究和技术进步。