Silicon Carbide Microelectromechanical Systems for Harsh Environments pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Cheung, Rebecca (EDT)

出品人:

页数:181

译者:

出版时间:

价格:64

装帧:HRD

isbn号码:9781860946240

丛书系列:

图书标签:

• Silicon Carbide
• MEMS
• Harsh Environments
• Microelectromechanical Systems
• Sensors
• Materials Science
• Semiconductors
• High Temperature
• Radiation Resistance
• Reliability

碳化硅微机电系统在严苛环境下的应用：材料、器件与封装的革新 本书聚焦于碳化硅（SiC）材料在极端物理与化学环境下高性能微机电系统（MEMS）的研发与工程化挑战。 随着航空航天、深井油气勘探、核能以及高频通信等领域对设备可靠性与工作温度要求的不断攀升，传统硅基MEMS已无法满足需求。本书旨在提供一个全面且深入的视角，探讨如何利用SiC优异的本征特性——高禁带宽度（$sim3.2 ext{ eV}$）、卓越的机械强度、出色的耐高温性能以及对辐射的抵抗力——来设计、制造和集成能够在$ ext{>250}^circ ext{C}$甚至更高温度下长期稳定工作的传感与执行器件。 第一部分：碳化硅材料基础与工艺的演进 本书首先系统回顾了用于MEMS制造的$ ext{4H-SiC}$和$ ext{6H-SiC}$晶体结构、电学与机械性能。详细阐述了其与硅在晶格常数、热膨胀系数和肖特基势垒高度上的关键差异，这些差异直接影响了器件的设计策略和可靠性。 在材料制备与外延生长方面，本书深入探讨了高质量$ ext{SiC}$衬底的制备技术，特别是针对微机械结构精度要求极高的$ ext{SOI}$（Silicon-on-Insulator）或$ ext{SiC}$-on-$ ext{SiC}$结构。重点分析了$ ext{MOCVD}$（金属有机化学气相沉积）技术在精确控制掺杂浓度、调节导电类型以及生长高质量缓冲层方面的最新进展。针对深亚微米级结构的关键，书中细致剖析了高深宽比$ ext{SiC}$微结构的刻蚀技术。相比于湿法各向同性刻蚀，高密度等离子体刻蚀（如$ ext{Bosch}$工艺的变体或反应离子刻蚀$ ext{RIE}$）在$ ext{SiC}$上的应用面临离子溅射损伤、侧壁钝化控制等挑战。本书提供了解决这些工艺瓶颈的详细参数优化指南，并对比了深紫外光刻（$ ext{DUV}$）和电子束光刻（$ ext{EBL}$）在定义复杂$ ext{SiC}$掩模层上的优劣。 第二部分：面向严苛环境的SiC MEMS器件设计原理 本部分是全书的核心，专注于如何将$ ext{SiC}$的优势转化为可靠的高可靠性传感器设计。 高温压力和应力传感器： 详细介绍了基于$ ext{SiC}$半导体效应（压阻效应）和本征绝缘体（如$ ext{SiO}_2$或$ ext{SiC}$/$ ext{SiN}$双层膜）的结构设计。特别讨论了在高温下，电荷俘获和载流子迁移率变化对压阻系数动态漂移的影响，并提出了通过差分结构和温度补偿电路来抑制这种漂移的先进电路协同设计方法。 高温加速度计和陀螺仪： 聚焦于高$ ext{Q}$值悬臂梁和环形谐振器的设计。分析了$ ext{SiC}$晶体结构（如$ ext{X}$轴或$ ext{Y}$轴驱动）对惯性传感器零偏稳定性的影响。书中包含了热耦合分析，模拟了器件在$ ext{300}^circ ext{C}$以上环境中，由于材料热膨胀不匹配和器件内部自发热导致的静电驱动力/感应力的变化，并给出了消除或补偿这些热机械耦合效应的几何优化方案。 宽禁带化学传感器： 探讨了利用$ ext{SiC}$表面天然的化学惰性或通过表面改性（如贵金属纳米颗粒沉积）来开发高温气体传感器。分析了$ ext{SiC}$肖特基结在检测$ ext{H}_2$、$ ext{NOx}$等腐蚀性气体时的稳定性和响应速度，并将其与氧化物半导体传感器进行性能对比。 第三部分：集成与封装的可靠性挑战 $ ext{MEMS}$器件的可靠性往往受制于封装技术，尤其是在高温、高振动和腐蚀性介质的环境中。本书的第三部分专门针对这些工程难题提供了解决方案。 高温键合技术： 对比了固相扩散键合（$ ext{Solid-State Bonding}$）、共晶键合以及活性离子束辅助键合在$ ext{SiC}$结构之间的应用。强调了键合过程中温度控制对维持$ ext{SiC}$掺杂区域电学特性的极端重要性。书中展示了如何通过优化键合界面中的空洞（Voids）密度来确保密封腔体的长期真空度和机械完整性。 引线连接与互连： 阐述了传统金丝球焊（$ ext{Au$ Ball Bonding}$）在$ ext{200}^circ ext{C}$以上易发生脆化和界面扩散的问题。提出了$ ext{Cu}$或$ ext{Ni}$/$ ext{SiC}$直接键合、飞焊（$ ext{Wire Bonding}$）在$ ext{SiC}$衬底上的优化工艺，以及使用陶瓷或$ ext{SiC}$基板作为中间层以应对热失配应力的策略。 辐射环境下的防护： 针对核工业和深空探测应用，本书分析了高能粒子和$gamma$射线对$ ext{SiC}$微结构中电荷陷阱（Trap Density）的影响。讨论了局部退火策略和特殊的钝化层堆叠如何维持器件在长期辐射暴露下的电学性能稳定。 本书的特色 本书综合了材料科学、半导体物理和机械工程的跨学科知识，不仅停留在理论分析层面，更包含了大量实际工艺参数、失效分析（$ ext{Failure Analysis}$）案例研究以及结构-工艺-性能的闭环优化流程。它为从事高温电子、特种传感器设计与制造的高级工程师、研究人员和研究生提供了一部不可或缺的参考指南。读者将能够掌握利用$ ext{SiC}$微系统的独特优势，克服在极端条件下实现高精度、长寿命测量的关键技术障碍。

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