微机电器件设计、制造及计算机辅助设计/京航空航天“研究生英文教材”系列丛书

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作者:
2016-06
版次: 1
ISBN: 9787512421097
定价: 65.00
  • Thisbookfirstlyintroducesthepertinentfundamentaltheory,importantmaterialandfabricationprocessofmicroGelectromechanicalsystems.Basedonthesetheories,thedesignruleandimportantengineeringexamplesaredescribedindetail.Then,manyengineeringapplicationsforMEMSincludingtheaccelerationmeasurement,theangularspeedmeasurementandthepressuremeasurementareintroduced.Finally,finiteelementmethodisintroducedinordertoprovethecorrectnessofthedesign.Thisengineeringapplicationofsimulationincludesthestaticandmodalanalysisofthebeam,capacitanceanalysis,thermalGstructureanalysisofthedeviceandfatigueanalysisetc.Itcanbeselectedasthereferencetothepostgraduates,undergraduatesandpertinentengineeringstaffwhoseresearch directionsareinstrumentationscienceandtechnology,controlscienceandengineering,mechanicalengineeringetc.
    Chapter1 Introduction ………………………………………………………………………… 1
    1.1 ConceptofMEMS ……………………………………………………………………… 1
    1.2 DevelopmentofMEMS ………………………………………………………………… 4
    1.3 MEMSCAD …………………………………………………………………………… 9
    Chapter2 BasictheoryofMEMS …………………………………………………………… 12
    2.1 TheoryofelectrostaticMEMScombactuators …………………………………… 12
    2.1.1 Introduction ……………………………………………………………………… 12
    2.1.2 Operatingprinciples …………………………………………………………… 13
    2.1.3 Platecapacitortheoryinidealcondition ……………………………………… 14
    2.1.4 ThemodifiedmodelofMEMSplatecapaciator ……………………………… 17
    2.1.5 Calculationofelectrostaticcombdrivingforceinidealsituation …………… 24
    2.1.6 Weakcapacitancedetectionmethodofelectrostaticcombdrive …………… 26
    2.2 RelevanttheoreticalcalculationsfortheMEMScantileverbeam ………………… 34
    2.2.1 Introduction ……………………………………………………………………… 34
    2.2.2 Theoreticalcalculationmethodforcantileverbeam ………………………… 35
    2.2.3 RelevanttheoreticalcalculationofaxialtensileandcompressiveonsingleGend
    clampedbeams ………………………………………………………………… 36
    2.2.4 RelatedtheoreticalcalculationsofdoubleGendclampedbeamsaxialtension
    andcompression ………………………………………………………………… 40
    2.3 MembranetheoryofMEMS ………………………………………………………… 47
    2.3.1 Theoryofclampedaroundcirculardiaphragm ………………………………… 48
    2.3.2 Theoryofclampedaroundrectangularflatdiaphragm ……………………… 49
    References …………………………………………………………………………………… 52
    Chapter3 MEMSmaterials …………………………………………………………………… 53
    3.1 Monocrystallinesilicon ……………………………………………………………… 53
    3.1.1 Introduction ……………………………………………………………………… 53
    3.1.2 Crystalorientationofmonocrystallinesilicon ………………………………… 55
    3.2 Polycrystallinesilicon ………………………………………………………………… 64
    3.3 Silica …………………………………………………………………………………… 66
    3.4 Piezoelectricmaterials ………………………………………………………………… 67
    3.4.1 Piezoelectriceffectandinversepiezoelectriceffectofmaterials …………… 67
    3.4.2 Quartzcrystal …………………………………………………………………… 68
    3.4.3 Piezoelectricceramics …………………………………………………………… 73
    3.5 OtherMEMSmaterials ……………………………………………………………… 75
    3.6 Summary ……………………………………………………………………………… 76
    Chapter4 MEMStechnology ………………………………………………………………… 77
    4.1 MEMSlithographyprocess ………………………………………………………… 78
    4.2 KeytechnologyofMEMSlithographyprocess …………………………………… 80
    4.2.1 Wafercleaning …………………………………………………………………… 80
    4.2.2 Siliconoxidation ………………………………………………………………… 80
    4.2.3 Spincoatingprocess …………………………………………………………… 87
    4.2.4 Prebaking ………………………………………………………………………… 90
    4.2.5 Exposure ………………………………………………………………………… 92
    4.2.6 Development ……………………………………………………………………… 94
    4.2.7 Hardening ………………………………………………………………………… 96
    4.2.8 FabricationoftheSiO2 window ………………………………………………… 97
    4.3 SubsequentprocessofMEMS ……………………………………………………… 98
    4.3.1 Bulksilicontechnology ………………………………………………………… 98
    4.3.2 Surfacesiliconprocess ………………………………………………………… 103
    4.3.3 LIGAtechnology ……………………………………………………………… 104
    4.3.4 Sputteringtechnology ………………………………………………………… 105
    4.3.5 LiftGoffprocess ………………………………………………………………… 107
    4.4 Filmpreparationtechnology………………………………………………………… 107
    4.5 Bondingprocess ……………………………………………………………………… 108
    4.5.1 Anodicbondingprocess………………………………………………………… 109
    4.5.2 SiliconGsilicondirectbonding ………………………………………………… 110
    4.5.3 Metaleutecticbonding ………………………………………………………… 113
    4.5.4 Coldpressureweldingbonding ……………………………………………… 114
    4.6 Engineeringexamplesofcombinationformultipleprocessestofabricatethe
    MEMSdevice ………………………………………………………………………… 115
    4.6.1 Introduction …………………………………………………………………… 115
    4.6.2 EngineeringexampleoffabricationprocessforresonantMEMSgyroscope
    …………………………………………………………………………………… 115
    4.6.3 EngineeringexampleofelectromagneticmicroGmotorproductionprocess
    …………………………………………………………………………………… 118
    4.7 Summary ……………………………………………………………………………… 124
    References…………………………………………………………………………………… 125
    Chapter5 Frictionwearandtearundermicroscale ……………………………………… 126
    5.1 OffGchiptestingmethodformicrofriction ………………………………………… 127
    5.1.1 MicroGtribologytestwiththepinGonGdiscmeasuringmethod ……………… 127
    5.1.2 MicroGtribologytestwithAFM ……………………………………………… 128
    5.1.3 MicroGtribologytestwithspecialmeasuringdevice ………………………… 130
    5.2 OnGchiptestingmethodformicrofriction ………………………………………… 132
    5.2.1 OnGchiptestingmethodactuatedbyelectrostaticforce …………………… 132
    5.2.2 OnGchipmicroGfrictiontestingmethodusingthemechanismcharactersof
    thebimorphmaterial…………………………………………………………… 139
    5.3 ExampleofthedesignforanonGchipmicroGfrictionstructure ………………… 141
    5.3.1 Structureandworkingprinciple ……………………………………………… 141
    5.3.2 Calculationofpertinenttheory ……………………………………………… 142
    5.3.3 Technologicalanalysisofstructuraldesign ………………………………… 148
    5.3.4 Testingresultsanddataanalysis……………………………………………… 152
    5.3.5 ResearchandtestofwearproblemofMEMSdevices ……………………… 161
    5.4 Summary ……………………………………………………………………………… 165
    References…………………………………………………………………………………… 165
    Chapter6 MEMStestingtechnologyandengineeringapplication ………………………… 169
    6.1 Accelerationmeasurementandcorrespondingsensors …………………………… 169
    6.1.1 Workingprincipleoftheaccelerationsensorandtheclassification ……… 170
    6.1.2 Capacitivesiliconmicromechanicalaccelerometer …………………………… 172
    6.1.3 Piezoresistivesiliconmicromechanicalaccelerometer ……………………… 173
    6.1.4 Piezoelectricmicromechanicalaccelerometer ………………………………… 174
    6.1.5 ResonantsiliconMEMSaccelerometer ……………………………………… 175
    6.2 Angularspeedmeasurementandcorrespondingsensors ………………………… 177
    6.2.1 Workingprinciple ……………………………………………………………… 177
    6.2.2 DevelopmentofMEMSgyroscope …………………………………………… 178
    6.2.3 Classificationofmicromechanicalgyroscope ………………………………… 188
    6.3 Pressuremeasurementandcorrespondingsensors ……………………………… 190
    6.3.1 Workingpincinple ……………………………………………………………… 190
    6.3.2 Resonantsiliconmicromechanicalpressuresensoranditsdevelopment … 193
    6.4 MeasurementofmicroGtorque ……………………………………………………… 198
    6.4.1 Introduction …………………………………………………………………… 198
    6.4.2 Workingprincipleofnoncontactmethod …………………………………… 199
    6.4.3 Theoreticalcalculation ………………………………………………………… 200
    6.4.4 Correspondingequipmenttorealizethenoncontactmethod ……………… 205
    6.4.5 Experimentresultanddiscussion …………………………………………… 209
    6.5 Microscopicmorphologytestingmethod ………………………………………… 211
    6.6 Summary ……………………………………………………………………………… 212
    References…………………………………………………………………………………… 212
    Chapter7 Applicationexamplesofthefiniteelementmethodinthedesignof
    MEMSdevices …………………………………………………………………… 218
    7.1 Importantconceptsofthesoftware………………………………………………… 218
    7.2 IntroductionoftheAnsyssoftwareinterface……………………………………… 220
    7.3 ThecoordinatesysteminAnsys …………………………………………………… 221
    7.4 Engineeringexamples ……………………………………………………………… 226
    7.4.1 StaticanalysisofsingleGclampedbeam ……………………………………… 226
    7.4.2 ModalanalysisofdoubleGclampedbeam ……………………………………… 245
    7.4.3 CapacitanceanalysisofMEMSelectrostaticcombfingersdrive …………… 257
    7.4.4 Fatiguestrengthcalculationexample ………………………………………… 264
    7.5 Summary ……………………………………………………………………………… 272
  • 内容简介:
    Thisbookfirstlyintroducesthepertinentfundamentaltheory,importantmaterialandfabricationprocessofmicroGelectromechanicalsystems.Basedonthesetheories,thedesignruleandimportantengineeringexamplesaredescribedindetail.Then,manyengineeringapplicationsforMEMSincludingtheaccelerationmeasurement,theangularspeedmeasurementandthepressuremeasurementareintroduced.Finally,finiteelementmethodisintroducedinordertoprovethecorrectnessofthedesign.Thisengineeringapplicationofsimulationincludesthestaticandmodalanalysisofthebeam,capacitanceanalysis,thermalGstructureanalysisofthedeviceandfatigueanalysisetc.Itcanbeselectedasthereferencetothepostgraduates,undergraduatesandpertinentengineeringstaffwhoseresearch directionsareinstrumentationscienceandtechnology,controlscienceandengineering,mechanicalengineeringetc.
  • 目录:
    Chapter1 Introduction ………………………………………………………………………… 1
    1.1 ConceptofMEMS ……………………………………………………………………… 1
    1.2 DevelopmentofMEMS ………………………………………………………………… 4
    1.3 MEMSCAD …………………………………………………………………………… 9
    Chapter2 BasictheoryofMEMS …………………………………………………………… 12
    2.1 TheoryofelectrostaticMEMScombactuators …………………………………… 12
    2.1.1 Introduction ……………………………………………………………………… 12
    2.1.2 Operatingprinciples …………………………………………………………… 13
    2.1.3 Platecapacitortheoryinidealcondition ……………………………………… 14
    2.1.4 ThemodifiedmodelofMEMSplatecapaciator ……………………………… 17
    2.1.5 Calculationofelectrostaticcombdrivingforceinidealsituation …………… 24
    2.1.6 Weakcapacitancedetectionmethodofelectrostaticcombdrive …………… 26
    2.2 RelevanttheoreticalcalculationsfortheMEMScantileverbeam ………………… 34
    2.2.1 Introduction ……………………………………………………………………… 34
    2.2.2 Theoreticalcalculationmethodforcantileverbeam ………………………… 35
    2.2.3 RelevanttheoreticalcalculationofaxialtensileandcompressiveonsingleGend
    clampedbeams ………………………………………………………………… 36
    2.2.4 RelatedtheoreticalcalculationsofdoubleGendclampedbeamsaxialtension
    andcompression ………………………………………………………………… 40
    2.3 MembranetheoryofMEMS ………………………………………………………… 47
    2.3.1 Theoryofclampedaroundcirculardiaphragm ………………………………… 48
    2.3.2 Theoryofclampedaroundrectangularflatdiaphragm ……………………… 49
    References …………………………………………………………………………………… 52
    Chapter3 MEMSmaterials …………………………………………………………………… 53
    3.1 Monocrystallinesilicon ……………………………………………………………… 53
    3.1.1 Introduction ……………………………………………………………………… 53
    3.1.2 Crystalorientationofmonocrystallinesilicon ………………………………… 55
    3.2 Polycrystallinesilicon ………………………………………………………………… 64
    3.3 Silica …………………………………………………………………………………… 66
    3.4 Piezoelectricmaterials ………………………………………………………………… 67
    3.4.1 Piezoelectriceffectandinversepiezoelectriceffectofmaterials …………… 67
    3.4.2 Quartzcrystal …………………………………………………………………… 68
    3.4.3 Piezoelectricceramics …………………………………………………………… 73
    3.5 OtherMEMSmaterials ……………………………………………………………… 75
    3.6 Summary ……………………………………………………………………………… 76
    Chapter4 MEMStechnology ………………………………………………………………… 77
    4.1 MEMSlithographyprocess ………………………………………………………… 78
    4.2 KeytechnologyofMEMSlithographyprocess …………………………………… 80
    4.2.1 Wafercleaning …………………………………………………………………… 80
    4.2.2 Siliconoxidation ………………………………………………………………… 80
    4.2.3 Spincoatingprocess …………………………………………………………… 87
    4.2.4 Prebaking ………………………………………………………………………… 90
    4.2.5 Exposure ………………………………………………………………………… 92
    4.2.6 Development ……………………………………………………………………… 94
    4.2.7 Hardening ………………………………………………………………………… 96
    4.2.8 FabricationoftheSiO2 window ………………………………………………… 97
    4.3 SubsequentprocessofMEMS ……………………………………………………… 98
    4.3.1 Bulksilicontechnology ………………………………………………………… 98
    4.3.2 Surfacesiliconprocess ………………………………………………………… 103
    4.3.3 LIGAtechnology ……………………………………………………………… 104
    4.3.4 Sputteringtechnology ………………………………………………………… 105
    4.3.5 LiftGoffprocess ………………………………………………………………… 107
    4.4 Filmpreparationtechnology………………………………………………………… 107
    4.5 Bondingprocess ……………………………………………………………………… 108
    4.5.1 Anodicbondingprocess………………………………………………………… 109
    4.5.2 SiliconGsilicondirectbonding ………………………………………………… 110
    4.5.3 Metaleutecticbonding ………………………………………………………… 113
    4.5.4 Coldpressureweldingbonding ……………………………………………… 114
    4.6 Engineeringexamplesofcombinationformultipleprocessestofabricatethe
    MEMSdevice ………………………………………………………………………… 115
    4.6.1 Introduction …………………………………………………………………… 115
    4.6.2 EngineeringexampleoffabricationprocessforresonantMEMSgyroscope
    …………………………………………………………………………………… 115
    4.6.3 EngineeringexampleofelectromagneticmicroGmotorproductionprocess
    …………………………………………………………………………………… 118
    4.7 Summary ……………………………………………………………………………… 124
    References…………………………………………………………………………………… 125
    Chapter5 Frictionwearandtearundermicroscale ……………………………………… 126
    5.1 OffGchiptestingmethodformicrofriction ………………………………………… 127
    5.1.1 MicroGtribologytestwiththepinGonGdiscmeasuringmethod ……………… 127
    5.1.2 MicroGtribologytestwithAFM ……………………………………………… 128
    5.1.3 MicroGtribologytestwithspecialmeasuringdevice ………………………… 130
    5.2 OnGchiptestingmethodformicrofriction ………………………………………… 132
    5.2.1 OnGchiptestingmethodactuatedbyelectrostaticforce …………………… 132
    5.2.2 OnGchipmicroGfrictiontestingmethodusingthemechanismcharactersof
    thebimorphmaterial…………………………………………………………… 139
    5.3 ExampleofthedesignforanonGchipmicroGfrictionstructure ………………… 141
    5.3.1 Structureandworkingprinciple ……………………………………………… 141
    5.3.2 Calculationofpertinenttheory ……………………………………………… 142
    5.3.3 Technologicalanalysisofstructuraldesign ………………………………… 148
    5.3.4 Testingresultsanddataanalysis……………………………………………… 152
    5.3.5 ResearchandtestofwearproblemofMEMSdevices ……………………… 161
    5.4 Summary ……………………………………………………………………………… 165
    References…………………………………………………………………………………… 165
    Chapter6 MEMStestingtechnologyandengineeringapplication ………………………… 169
    6.1 Accelerationmeasurementandcorrespondingsensors …………………………… 169
    6.1.1 Workingprincipleoftheaccelerationsensorandtheclassification ……… 170
    6.1.2 Capacitivesiliconmicromechanicalaccelerometer …………………………… 172
    6.1.3 Piezoresistivesiliconmicromechanicalaccelerometer ……………………… 173
    6.1.4 Piezoelectricmicromechanicalaccelerometer ………………………………… 174
    6.1.5 ResonantsiliconMEMSaccelerometer ……………………………………… 175
    6.2 Angularspeedmeasurementandcorrespondingsensors ………………………… 177
    6.2.1 Workingprinciple ……………………………………………………………… 177
    6.2.2 DevelopmentofMEMSgyroscope …………………………………………… 178
    6.2.3 Classificationofmicromechanicalgyroscope ………………………………… 188
    6.3 Pressuremeasurementandcorrespondingsensors ……………………………… 190
    6.3.1 Workingpincinple ……………………………………………………………… 190
    6.3.2 Resonantsiliconmicromechanicalpressuresensoranditsdevelopment … 193
    6.4 MeasurementofmicroGtorque ……………………………………………………… 198
    6.4.1 Introduction …………………………………………………………………… 198
    6.4.2 Workingprincipleofnoncontactmethod …………………………………… 199
    6.4.3 Theoreticalcalculation ………………………………………………………… 200
    6.4.4 Correspondingequipmenttorealizethenoncontactmethod ……………… 205
    6.4.5 Experimentresultanddiscussion …………………………………………… 209
    6.5 Microscopicmorphologytestingmethod ………………………………………… 211
    6.6 Summary ……………………………………………………………………………… 212
    References…………………………………………………………………………………… 212
    Chapter7 Applicationexamplesofthefiniteelementmethodinthedesignof
    MEMSdevices …………………………………………………………………… 218
    7.1 Importantconceptsofthesoftware………………………………………………… 218
    7.2 IntroductionoftheAnsyssoftwareinterface……………………………………… 220
    7.3 ThecoordinatesysteminAnsys …………………………………………………… 221
    7.4 Engineeringexamples ……………………………………………………………… 226
    7.4.1 StaticanalysisofsingleGclampedbeam ……………………………………… 226
    7.4.2 ModalanalysisofdoubleGclampedbeam ……………………………………… 245
    7.4.3 CapacitanceanalysisofMEMSelectrostaticcombfingersdrive …………… 257
    7.4.4 Fatiguestrengthcalculationexample ………………………………………… 264
    7.5 Summary ……………………………………………………………………………… 272
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