微光机电系统 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:泽田廉士

出品人:

页数:347

译者:李元燮

出版时间:2005-1

价格:38.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030133137

丛书系列:

图书标签:

• 微纳
• 微机电系统
• MEMS
• 传感器
• 微纳技术
• 集成电路
• 微电子
• 精密仪器
• 自动化
• 电子工程
• 物理学

《微光机电系统》 内容简介 《微光机电系统》是一部深度探索微型化机电装置及其集成应用的书籍。本书并非一本浅尝辄止的科普读物，而是面向对微机电系统（MEMS）领域有深入了解或志在钻研的读者，系统性地阐述了微光机电系统的设计、制造、测试以及在各个前沿领域的应用。本书旨在为读者构建一个全面、扎实、具有前瞻性的微机电系统知识体系，帮助其理解并掌握这一颠覆性技术的核心原理和发展趋势。 第一部分：微光机电系统的基础理论与核心技术 本书的第一部分奠定了理解微光机电系统的坚实基础。我们将从最基本的概念入手，深入剖析微观尺度下机电一体化所面临的独特挑战与机遇。 第一章：微纳尺度下的物理学原理 表面效应与体积效应的支配性： 在微观尺度，表面张力、范德华力、静电力等表面力相对于重力等体积力占据主导地位。本章将详细解析这些微观力学的行为特性，并阐述它们如何影响微型器件的运动、响应和稳定性。例如，我们将探讨表面张力在微流控器件中的应用，以及范德华力在微接触和粘附现象中的关键作用。 流体力学与传热传质的特殊性： 粘性力在微流体中显著增强，雷诺数降低，流体行为呈现出与宏观世界截然不同的特点，如层流主导、扩散成为主要的传质机制。本章将深入分析微观流体动力学，介绍伯努利方程在微观尺度的适用性变化，以及扩散方程在微流控反应器设计中的重要性。同时，我们将探讨微观尺度下的传热特性，包括表面热阻、微通道内的对流换热模式等。 电磁学原理在微型器件中的应用： 静电驱动、压电驱动、磁致伸缩驱动等微观电磁效应是微光机电系统中最常用的驱动方式。本章将详细介绍这些基本电磁原理，并阐述如何通过优化电极设计、材料选择来提高驱动效率和精度。例如，我们将讨论静电驱动的阿基米德螺旋微电机，以及压电驱动在微执行器中的应用。 光学原理与微观世界： 光与微型结构的相互作用在微光机电系统中至关重要。本章将回顾衍射、干涉、折射等基础光学原理，并探讨它们如何用于微型传感器的设计，例如光学编码器、微型光谱仪等。此外，还将介绍光在微型驱动和能量采集中的潜力。 第二章：微光机电系统的材料科学与制造工艺 微纳材料的特性与选择： 硅（Si）、氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO2）、多晶硅（Polysilicon）、金属（如金、铝、铂）以及新型聚合物材料在MEMS领域扮演着关键角色。本章将深入分析这些材料的力学、电学、光学以及热学特性，并指导读者如何根据具体的应用需求进行材料选择。例如，硅的优良的机械性能和良好的加工性使其成为主流的MEMS材料，而聚合物材料则因其柔韧性和低成本在特定应用中展现出优势。 微加工技术详解： 体硅加工（Bulk Micromachining）： 基于湿法腐蚀和干法腐蚀技术，直接在硅晶圆体中刻蚀出三维结构。本章将详细介绍硅的各向异性腐蚀原理，如KOH腐蚀和TMAH腐蚀，以及RIE（反应离子刻蚀）等干法腐蚀技术，并展示如何通过这些技术制造微梁、微悬臂梁、微腔等基本结构。 表面硅加工（Surface Micromachining）： 通过在基底材料上沉积牺牲层和结构层，再选择性地去除牺牲层来形成微结构。本章将重点介绍多晶硅/二氧化硅系统、多晶硅/氮化硅系统等经典表面加工工艺，并分析其在制造微齿轮、微马达等复杂结构中的优势与局限。 LIGA工艺（Lithography, Electroplating, Molding）： 一种高深宽比微结构的制造工艺，适用于制造高性能的微齿轮、微轴承等。本章将介绍X射线光刻、电镀和注塑成型等关键步骤，并分析其在精密微机械系统中的应用。 新兴微加工技术： 包括3D打印（增材制造）、纳米压印、微注塑等，这些技术为制造更加复杂、功能化的微光机电系统提供了新的可能。本章将探讨这些技术的原理、优势以及在MEMS领域的最新进展。 封装与集成技术： 如何保护敏感的微型器件免受环境影响，并实现与其他电子元件的有效集成是MEMS器件实现商业化的关键。本章将介绍各种封装技术，如晶圆级封装（WLP）、芯片级封装（CSP），以及如何进行可靠的电气连接和密封。 第三章：微光机电系统的设计与仿真 微机械设计原则： 涉及应力分析、疲劳寿命评估、动力学建模等。本章将深入探讨微观尺度下应力集中的影响，如何进行有限元分析（FEA）来优化结构设计，以及如何评估微型器件在长期工作中的可靠性。 微驱动与微传感器的设计： 驱动器设计： 详细介绍静电驱动器（平行板式、梳齿式）、压电驱动器、热驱动器、磁驱动器等的设计理论和参数优化方法。例如，如何通过改变极板间距、施加电压来控制静电驱动器的位移和力。 传感器设计： 涵盖压阻式、电容式、压电式、光学式、谐振式等多种微型传感器的工作原理和设计方法。我们将分析如何通过选择敏感材料、优化结构几何形状来提高传感器的灵敏度、精度和响应速度。 多物理场耦合仿真： 微光机电系统往往涉及力、电、热、光、流等多种物理场的相互作用。本章将介绍如何利用COMSOL Multiphysics、ANSYS等专业的仿真软件进行多物理场耦合分析，预测器件性能，并指导优化设计。例如，模拟一个微型扬声器在电信号作用下产生的声波，并分析其效率。 可靠性与寿命预测： 微型器件在长期工作过程中可能面临疲劳、磨损、粘附、氧化等问题。本章将介绍如何通过仿真和实验手段来评估微光机电系统的可靠性，并预测其使用寿命。 第二部分：微光机电系统的关键应用领域 本书的第二部分将聚焦于微光机电系统在各个前沿领域的实际应用，展现其强大的潜力和广泛的影响力。 第四章：微纳机器人与微医疗 微型执行器与微操纵： 介绍用于构建微型机器人和微型机械手的各种微型执行器，如微型电机、微型气动执行器、微型液压执行器等。我们将探讨如何通过集成这些执行器实现微物体的精细操纵和组装。 微型传感器与生物芯片： 讨论如何将微型传感器集成到微型机器人和生物芯片中，用于疾病诊断、药物输送、细胞分析等。例如，微型温度传感器、pH传感器、葡萄糖传感器在体内监测中的应用。 微流控芯片与体外诊断（IVD）： 深入分析微流控技术在样本处理、化学反应、分离纯化等方面的优势，以及其在基因测序、蛋白质分析、疾病筛查等领域的应用。我们将介绍微流控芯片的设计原理，以及如何集成微泵、微阀、微混合器等功能单元。 微型医疗植入物与介入治疗： 探讨微光机电系统在制造微型起搏器、药物释放装置、血管支架等植入式医疗设备中的作用。我们将分析微型介入式手术器械的设计和控制技术。 第五章：微型光学与光子学 微镜阵列（DMDs）与光束控制： 详细介绍数字微镜器件（DMD）的工作原理，包括微镜的翻转机制、驱动方式以及其在投影显示、光刻、光通信等领域的广泛应用。 微型透镜与成像系统： 探讨如何利用微型透镜阵列、微型光学元件构建微型相机、显微镜等成像设备，并分析其在手机、内窥镜等产品中的应用。 微型光传感器与光调制器： 介绍微型光电探测器、光敏电阻、光电二极管等，以及微型光调制器的设计原理，用于光通信、光检测、光学传感等。 光镊与微粒操纵： 阐述如何利用聚焦激光束实现微粒的捕获、移动和操控，并在生物学、物理学等领域展现出重要的应用价值。 第六章：微型能量采集与储能 压电能量采集： 介绍压电材料在振动、冲击等机械能转化为电能的应用，以及如何设计高效的压电能量采集器，为低功耗微型设备供电。 热电能量采集： 探讨利用温差发电的热电材料，以及如何在存在温度梯度的情况下实现能量的持续收集，例如从人体体温或环境温度中获取能量。 太阳能能量采集： 分析微型太阳能电池的结构、效率以及其在物联网设备、可穿戴设备等领域的应用前景。 微型电池与超级电容器： 介绍微型储能器件的设计与制造，为能量采集系统提供能量缓冲和储存能力，以应对能量收集的不稳定性。 第七章：微型传感器与物联网（IoT） 环境监测传感器： 介绍用于检测气体、湿度、温度、压力、污染物等的微型传感器，以及它们在智能家居、智慧城市、工业自动化等领域的应用。 运动与姿态传感器： 深入分析微型加速度计、陀螺仪、磁力计等惯性传感器的工作原理，以及它们在智能手机、汽车电子、无人机导航等方面的应用。 生物与化学传感器： 重点介绍用于检测生物分子、化学物质的微型传感器，如生物标志物传感器、污染物传感器等，为疾病早期诊断、食品安全检测、环境监测提供有力支持。 物联网中的MEMS集成： 探讨MEMS传感器如何作为物联网感知层的重要组成部分，实现对物理世界的全面感知和数据采集，从而赋能智能设备和智慧服务。 第三部分：微光机电系统的未来展望与挑战 本书的最后部分将展望微光机电系统的未来发展方向，并探讨当前面临的挑战。 第八章：前沿研究与发展趋势 柔性与可穿戴MEMS： 探讨如何将MEMS技术应用于柔性基底，开发可穿戴的健康监测设备、柔性电子产品等。 生物混合MEMS： 介绍将生物元件与MEMS器件相结合，创造具有生物功能的仿生器件，例如用于药物筛选的微型器官芯片。 人工智能与MEMS的融合： 探讨如何利用人工智能技术优化MEMS的设计、控制和数据分析，进一步提升MEMS器件的智能化水平。 量子MEMS： 展望量子技术与MEMS的结合，例如利用MEMS平台实现量子传感、量子计算等前沿应用。 第九章：面临的挑战与机遇 成本与规模化生产： 如何降低MEMS器件的制造成本，实现大规模、低成本的生产，是其广泛应用的关键。 可靠性与稳定性： 尽管MEMS器件在不断进步，但在极端环境下的可靠性和长期稳定性仍是需要解决的挑战。 标准化与互操作性： 缺乏统一的标准和接口可能阻碍不同厂商、不同应用领域的MEMS器件的互联互通。 人才培养与技术普及： MEMS领域需要大量具备跨学科知识背景的专业人才，如何加强人才培养和技术普及是行业发展的长远课题。 《微光机电系统》通过层层递进的知识结构，系统地梳理了微光机电系统的方方面面。本书力求提供严谨的理论分析、详实的工艺介绍、鲜活的应用案例，并对未来发展进行审慎的展望。我们相信，本书将成为对该领域感兴趣的科研人员、工程师、学生乃至所有渴望了解未来科技发展脉搏的读者的一本不可多得的参考。

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初次接触这本书时，我以为它会像一本科幻小说里走出来的技术手册，充满了对未来可能性的描绘和对现有技术边界的挑战。我期待的是那种充满灵感、启发思考的叙述方式，或许是通过一些前瞻性的案例研究，展示如何用极小的能量实现复杂的计算和响应。书中的语言风格，却出乎意料地非常平实，甚至有些教条。它更像是一本经过严格审查的教材，每一章都以“本章目标”开始，以“知识点回顾”结尾，内容组织极其严谨，但缺乏那种能够激发读者探索欲望的“火花”。举个例子，当讨论到某种控制算法时，书中只是罗列了公式和标准的PID参数调整流程，对于算法背后的物理意义的哲学思考，或者是在非线性环境下如何进行创造性改进的探讨，则完全缺失。这让阅读过程变成了一种机械的知识吸收，而不是一次愉快的智力探险。我更喜欢那些敢于提出质疑、敢于挑战权威的论述，这本书似乎过于恪守既有的工程规范，使得那些原本可以充满想象力的机电耦合理论，变得干燥而缺乏生气。

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购买这本书，我最大的期待是它能提供一套解决实际工程问题的“工具箱”，而不是仅仅停留在理论层面。我希望看到的是那些经过实战检验的、可以快速复用的代码片段、电路布局的最佳实践，或者是在设计容错机制时需要考虑的特定环境因素清单。然而，《微光机电系统》更侧重于“为什么”——解释现象背后的物理定律，而不是“怎么做”——提供可操作的实施方案。书中涉及到的所有“系统”似乎都运行在完美的真空或理想条件下，没有考虑现实世界中无处不在的噪声、温度漂移和制造公差带来的影响。例如，在讨论到电机驱动的效率时，书上给出了一个基于理想负载的计算公式，但对于如何在高湿度环境下保护驱动芯片免受腐蚀，或者在振动环境下如何保证连接点的长期稳定性，则完全没有提及。对我来说，工程实践的价值恰恰在于对这些“不完美”因素的处理上，这本书虽然严谨，但却显得有些“不食人间烟火”，缺乏那种直面工业现场挑战的韧性和实用智慧。

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这本书的排版和图示质量，坦白地说，让我感到有些时代脱节。我习惯于现代技术书籍中那种高清的、色彩鲜明的、能够清晰展示三维结构和信号流动的图表。然而，《微光机电系统》中的插图大多是低分辨率的黑白线条图，很多关键的电路连接点和机械公差细节在放大后都变得模糊不清，这对于需要依赖视觉细节来理解复杂耦合关系的技术人员来说，是一个巨大的障碍。我花了很长时间去辨认一个看似重要的齿轮传动示意图中的虚线和实线究竟代表什么，最后还是不得不去网上搜索相关的标准图例来辅助理解。此外，书中引用的参考文献大多停留在上个世纪末，对于近十年内涌现的新材料、新封装技术，几乎没有涉及。这使得整本书读起来像是一次对经典理论的回顾，而不是一次对当前技术前沿的巡礼。如果作者能投入更多精力去更新图文资料，哪怕是增加一些高质量的仿真截图，也会极大地提升阅读体验和知识的实用性。

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从章节安排上来看，这本书的逻辑跳跃性非常大，几乎没有形成一个流畅的学习路径。前几章似乎集中在电磁感应的基本原理上，公式推导详尽到令人发指，仿佛在为零基础读者准备入门材料。然而，紧接着的几章内容却突然转向了高级的模糊控制理论和实时操作系统（RTOS）的内核优化，这些内容对非计算机科班出身的读者构成了极高的认知门槛。这种“新手村”和“终极Boss战”直接相邻的结构，让人感到非常困惑。我试图在不同章节之间寻找内在的逻辑联系，例如，如何将前面讨论的电磁原理无缝过渡到RTOS对高频脉冲的精确调度上，但作者似乎只是将两个独立领域的权威资料拼凑在了一起。这种割裂感迫使读者必须自己充当“翻译官”和“连接者”，去建立起各个知识点之间的桥梁，极大地增加了学习的难度和时间成本。一本好的技术书籍应该像一位优秀的导师，引导你稳步前行，而不是把你直接扔到知识的海洋中央。

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这本《微光机电系统》的标题实在太吸引人了，我当时就想象着这是一本关于精巧机械设计与现代电子控制完美结合的权威著作。我满怀期待地翻开扉页，希望看到的是对微型电机驱动、传感器集成以及低功耗系统架构的深入剖析。然而，这本书的内容更偏向于宏观的能源管理和大型工业设备的维护手册。书中详尽地描述了火力发电厂的涡轮机组的运行参数调整，以及如何利用PLC进行大规模生产线的故障排查。虽然这些内容本身技术性很强，对于从事传统重工业的朋友来说或许很有价值，但对我这个痴迷于精密仪器和微纳尺度运动控制的读者而言，几乎找不到我真正想学习的“微光”所在。我希望能读到关于MEMS技术如何驱动下一代医疗设备，或者是在柔性电子领域中如何实现高效能耗比的系统集成方案，但书中几乎所有案例都围绕着数吨重的机械体展开，这种“画风不符”的落差感，让我有些难以沉浸其中。如果书名能更贴合实际内容，比如改为《大型工业电气与自动化维护指南》，或许可以避免这种误解。我对那些复杂的热力学图表和冗长的安全规范感到头疼，它们占据了大量的篇幅，却与我期望的“机电系统”前沿探索相去甚远。

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典型器件、新型器件、光学、电学、材料学、加工手段一锅烩，随便看看吧。翻译比较烂。

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