微系统设计与制造

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出版者:
作者:王喆垚
出品人:
页数:648
译者:
出版时间:2008-2
价格:59.00元
装帧:
isbn号码:9787302151968
丛书系列:
图书标签:
  • MEMS
  • 微电子
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  • 微系统
  • MEMS
  • 微机电系统
  • 集成电路
  • 传感器
  • 微制造
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具体描述

《微系统设计与制造》介绍微系统的基础理论、分析设计方法和制造技术,以及前沿应用领域的多种典型器件,主要内容包括:微系统基本力学、微系统制造技术、微型传感器、微型执行器、射频微系统(PF MEMS)、光学微系统(MOEMS)、生物医学微系统(BioMEMS)以及微流体与芯片实验室。《微系统设计与制造》强调设计与制造相结合、基础与前沿相结合,在基础理论和制造技术的基础上,深入介绍典型器件的设计和制造方法以及重点和前沿应用研究领域,力争展示微系统的全貌。微系统(MEMS是一门多学科高度交叉的前沿学科领域,其设计、制造和应用广泛涉及到物理学、化学、力学、微电子学、、光学、生物医学、和控制工程等多个学科。

好的,以下是一本不包含《微系统设计与制造》内容的图书简介,字数约1500字,侧重于系统工程、先进材料和复杂系统控制。 --- 《先进复杂系统集成与多物理场耦合建模》 导论:从学科交织到系统涌现 在当代工程科学的前沿,单个学科的突破已难以驱动下一轮的重大技术飞跃。我们正处在一个由信息、能源、材料和生命科学深度融合所定义的时代。传统的机械、电子或控制理论已无法有效应对如高超声速飞行器、下一代核反应堆、仿生医疗设备或量子计算平台这类对集成度和鲁棒性要求极高的复杂系统。 《先进复杂系统集成与多物理场耦合建模》正是为了填补这一知识鸿沟而撰写。本书的核心思想在于,任何高复杂度工程系统,其性能的最终体现并非源于单个组件的卓越,而是源于不同物理域——热、力、电磁、化学、流体——之间精妙且相互依赖的耦合关系。我们不再将系统视为简单的组件叠加,而是将其视为一个具有涌现特性的整体,强调在设计初期就必须进行全局优化。 本书聚焦于如何系统性地理解、建模、仿真和验证这些复杂系统的集成过程,从根本上转变设计理念,从“堆砌功能”转向“塑造行为”。 第一部分:复杂系统理论基础与系统工程方法论 本部分为理解后续章节的理论基石,重点阐述了从传统自上而下(Top-Down)设计向现代集成化、迭代式(Agile and Iterative)系统工程范式的转变。 第一章:复杂性的量化与系统边界定义 本章首先探讨了复杂系统(Complex Systems)与传统精密系统(Complicated Systems)的区别。我们引入了图论、网络科学中的核心概念,如中心性度量(Centrality Metrics)、小世界特性(Small-World Properties)和无标度网络(Scale-Free Networks)在工程系统中的应用。重点在于如何通过最小相互作用路径来定义系统的有效功能边界,并识别关键的单点故障依赖性(Single Point of Failure Dependency)。 第二章:跨域建模范式:从守恒定律到统一描述 传统的建模往往基于单一物理场的偏微分方程(PDE)。本章深入探讨了多物理场耦合建模的数学框架。我们将拉格朗日(Lagrangian)和哈密顿(Hamiltonian)力学方法推广到包含非保守力场的系统,引入结构化能量函数(Structured Energy Function)的概念。讨论了如何使用统一的变分原理(Variational Principles)来构建跨域耦合方程组,如热-电-力耦合在压电材料和热电材料中的应用实例。 第三章:系统级不确定性管理与可靠性评估 现代系统必须在各种操作条件下保持稳定。本章不再侧重于材料缺陷引起的随机性,而是关注由于模型不完备性(Model Incompleteness)、参数估计误差以及跨域交互效应导致的结构性不确定性。引入了概率有限元法(PFEM)和基于信息熵的鲁棒性分析方法,用于评估系统在极端工况下的性能裕度。 第二部分:先进材料的集成行为与功能化界面 本部分将视角聚焦于构成复杂系统的“砖块”——先进功能材料,特别是它们在集成界面处表现出的奇异行为。 第四章:智能与响应式材料的本构关系 本书详细分析了具有内在响应性的功能材料,如形状记忆合金(SMA)、磁致伸缩材料(MSM)和电活性聚合物(EAP)。重点剖析了其非线性本构关系,特别是滞后效应(Hysteresis)和记忆效应,如何反作用于系统的宏观动力学。通过引入相场模型(Phase-Field Models),我们展示了如何描述材料内部微观相变对宏观性能的决定性影响。 第五章:异质界面与连接技术:性能的瓶颈 在多材料集成系统中,材料间的界面往往是热、电、力传输的瓶颈。本章研究了原子尺度界面控制对宏观性能的调控。内容包括:高通量键合(High-Throughput Bonding)中的残余应力演化、界面缺陷的势垒效应,以及如何利用“软”中间层(Soft Interlayers)来钝化应力集中,实现热膨胀系数(CTE)不匹配系统的可靠集成。 第六章:增材制造(AM)对系统集成特性的重塑 增材制造技术使得设计者能够前所未有地控制材料的梯度分布和内部微观结构。本章讨论了如何利用选区激光熔化(SLM)或电子束熔化(EBM)工艺,在同一部件内部实现材料性能的连续梯度变化(Functionally Graded Materials, FGM)。分析了AM过程中的快速冷却速率如何影响晶粒结构和残余应力场,以及这种结构如何被用于优化热管理或结构轻量化。 第三部分:自适应与自主控制的集成架构 最终的系统性能依赖于其反馈和控制能力。本部分着眼于如何将先进的控制算法融入到物理层面的设计中,实现系统的自适应和自主运行。 第七章:多尺度反馈控制系统的设计 复杂系统通常涉及跨越数个量级的时间尺度和空间尺度(如微观材料响应与宏观运动控制)。本章提出了多尺度反馈(Multi-Scale Feedback)的理论框架。我们引入了基于模型预测控制(MPC)的集成方法,允许控制器同时优化低频的结构调整和高频的电磁驱动,以应对快速变化的环境扰动。 第八章:健康监测与状态评估的物理模型驱动 系统健康管理(SHM)不再仅仅依赖于传感器数据的模式识别。本章强调利用物理模型作为基准状态。通过比较实时观测数据与基于高保真耦合模型的预测值之间的残差,可以更早、更精确地诊断出功能退化模式(如微裂纹扩展或接触性能下降),而非仅仅检测到异常信号。 第九章:面向高鲁棒性任务的系统拓扑优化 本书的收官部分讨论了如何将优化方法直接应用于系统集成拓扑结构的设计。不同于仅优化结构强度,本章聚焦于“耦合鲁棒性优化”。例如,如何同时优化散热通道的几何形状和电磁线圈的布局,以在特定任务载荷下,使系统的温度梯度与电磁场强度之间的耦合项最小化,从而确保系统在容错范围内的整体效能最大化。 结论 《先进复杂系统集成与多物理场耦合建模》旨在为工程师和研究人员提供一套完整的工具集,用以驾驭现代工程所面临的空前集成挑战。本书强调的不是单一技术的突破,而是跨越物理域、时空尺度的系统思维能力,是实现下一代高性能、高可靠性、自适应工程系统的理论基石。阅读本书的读者将能够从根本上理解系统如何“涌现”其特性,并掌握设计出真正具有前瞻性的复杂工程实体的能力。

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用户评价

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这本书的名字叫《微系统设计与制造》,光看书名就觉得它绝对是那种硬核到骨子里、专业到让人望而生畏的学术大部头。我作为一个普通读者,一开始只是被这个名字吸引,好奇地想知道,到底是什么样的科技才能被称为“微系统”,以及它们又是如何被“设计”和“制造”出来的。当我真正翻开它的时候,一种前所未有的震撼感扑面而来。书里详细描述了那些肉眼几乎看不见的精密部件,是如何在纳米甚至更小的尺度上被巧妙地构造出来的。我读到了一些关于微机电系统(MEMS)的内容,这玩意儿听起来就跟科幻小说似的,但我发现它却是实实在在存在于我们生活中的,比如智能手机里的传感器,还有各种医疗设备里的微型泵。书里对于这些微系统的材料选择、加工工艺、以及如何确保它们在如此小的尺寸下还能稳定可靠地工作,都有着极其细致的阐述。我尤其对书中关于光刻技术的部分印象深刻,那简直是把“雕虫小技”上升到了艺术的境界,用光束来“刻画”出精密的电路和结构,想想都觉得不可思议。而且,书里不仅仅是理论的堆砌,还穿插了大量的实际案例分析,让我能够更直观地理解那些复杂的概念。我能想象到,如果要真正掌握这门技术,需要多么深厚的物理、化学、电子工程和材料科学知识。这本书让我看到了科技的无限可能,也让我深刻体会到人类智慧的伟大,它让我意识到,我们身边那些看似平常的科技产品背后,隐藏着多少不为人知的精密设计和制造的艰辛。

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《微系统设计与制造》这本书,让我对“精密”这两个字有了全新的理解,它不仅仅是形容词,更是形容我们能够达到何种程度的技术水准。《微型光学器件》(Micro-optics)的章节,简直就是一本关于“微观光影魔术”的指南。我被书中对各种微型光学元件的设计和制造过程所震撼,比如微型透镜、微型棱镜、微型衍射元件,它们能够在微小的尺寸上实现光路的精确控制和成像。我了解到,这些微型光学元件的制造需要极高的表面精度和光学性能,比如纳米级的表面粗糙度和亚微米级的形貌控制。而且,书里还探讨了如何将这些微型光学元件集成到复杂的微系统中,形成微型相机、微型投影仪、以及微型光谱仪等。我特别对书中关于微透镜阵列的设计和制造感到好奇,它们能够实现多路成像或光束整形,这对于三维成像和光通信技术至关重要。这本书让我看到了,光学技术在微观世界的应用潜力是无穷的,它正在推动着成像技术、显示技术、以及光学传感技术向着更小、更高效、更智能的方向发展。

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当我翻开《微系统设计与制造》这本书时,我并没有预料到它会让我对“失效分析”这一概念产生如此深刻的认识。书里关于微系统可靠性和失效分析的部分,让我看到了工程设计背后严谨的风险评估和质量控制。我被书中对各种微系统失效模式的详细阐述所吸引,比如材料疲劳、结构断裂、电气短路、以及环境老化等等,它们是如何在微观尺度下发生的,以及会对整个系统产生怎样的影响。我了解到,进行失效分析需要结合多种检测手段和仿真工具,从宏观到微观,层层深入地追溯失效的根源。而且,书里还探讨了如何通过改进设计、优化材料、以及加强制造工艺来提高微系统的可靠性,从而避免潜在的失效。我特别对书中关于加速寿命试验和环境应力筛选的 Methodology 感到好奇,它们是如何在有限的时间内模拟微系统在实际使用中可能遇到的各种极端条件,从而评估其长期可靠性。这本书让我意识到,一款成功的微系统产品,不仅需要精湛的设计和制造,更需要对潜在的失效风险有深刻的认识和有效的应对策略,它让我看到了工程的“不完美”与“追求完美”之间的持续博弈。

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在翻阅《微系统设计与制造》这本书时,我最深刻的感受是,人类在控制和利用微观物质方面的能力已经达到了一个令人难以置信的程度。书里关于微型泵和微流体控制系统的章节,简直就是一本关于“微观液体搬运工”的百科全书。我被书中对各种微型泵的设计原理和制造工艺的详细阐述所吸引,比如微型离心泵、微型隔膜泵、微型柱塞泵,它们能够在微小的空间内实现精确的液体输送。我尤其对书中关于微流体通道的设计和制造细节感到着迷,如何通过控制通道的尺寸、形状和表面特性,来实现对液体流动的精确控制,这对于微型反应器、药物输送系统、以及生物分析芯片都至关重要。而且,书里还探讨了如何集成各种微型阀门和传感器,形成一个能够实现高度自动化液体处理的微系统。我被书中关于微型泵效率和驱动方式的优化研究所吸引,因为在微观尺度下,能量损耗和流体阻力是影响系统性能的重要因素。这本书让我看到了,微型泵和微流体控制技术正在为生命科学、化学工程、以及环境监测等领域带来革命性的变革,它们让“在微观尺度上进行精准操作”成为可能。

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《微系统设计与制造》这本书,让我对“微”这个字有了全新的认识,它不再仅仅是形容词,而是一种承载着无限可能和极致精密的工程领域。在阅读过程中,我被书中关于微型执行器(Micro-actuators)的章节深深吸引。这些微小的“肌肉”是如何被制造出来的?它们如何能够产生足够的力量来驱动更小的机械部件?书里详细解释了各种驱动原理,比如静电驱动、压电驱动、热驱动、磁驱动等等,并且对每种驱动方式的结构设计、材料选择、以及性能参数进行了深入的剖析。我特别对书中关于微型电机的介绍感到惊叹,它们能够以极高的精度进行旋转或直线运动,这对于微型机器人、微型医疗器械、以及高精度定位系统至关重要。而且,书里还探讨了如何将这些微型执行器集成到复杂的微系统中,以及如何通过控制电路来精确地操控它们的运动。我被书中关于微型齿轮、微型弹簧、以及微型轴承的设计细节所震撼,它们需要在微观尺度上实现高效率的能量传递和精确的运动控制,这需要极其精密的制造工艺和材料科学的支持。我越读越觉得,这本书不仅展现了工程技术的精湛,更揭示了人类在驾驭微观世界方面所取得的巨大成就,它让我对未来那些微型化的智能设备充满了期待。

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我对《微系统设计与制造》这本书的期待,是希望能够了解那些让科技产品越来越小的“秘密”。这本书确实没有让我失望,尤其是在关于微型开关和微型继电器(Micro-switches and Relays)的章节。我被书中对这些微小“开关”的精密设计和制造过程所震撼,它们能够以极低的功耗和极高的响应速度,实现电路的通断控制。我了解到,这些微型开关的结构设计需要考虑触点的可靠性、弹簧的耐久性,以及外壳的密封性,以确保它们在恶劣环境下也能正常工作。而且,书里还探讨了不同类型的微型开关,比如机械式开关、固态开关,以及它们各自的优缺点和适用场景。我特别对书中关于微型继电器的驱动原理和触点材料的选择感到好奇,它们如何在微观尺度上实现大电流的切换,这需要精密的电磁设计和耐磨损的触点材料。这本书让我意识到,即便是最简单的“开”和“关”,在微观世界里也蕴含着深厚的工程智慧,它让我想到了那些嵌入式设备和智能家居中,无处不在的微型开关,它们默默地工作,支撑着我们现代生活的便利。

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《微系统设计与制造》这本书,让我意识到,现代科技的进步,很大程度上依赖于我们对“微观世界”的精细操控能力。书中关于微型电源和能量收集的部分,让我看到了未来微系统独立工作的可能性。我被书中对各种微型电源的设计原理和制造工艺所吸引,比如微型电池、微型燃料电池,以及如何实现能量的存储和释放。我尤其对书中关于能量收集技术(Energy Harvesting)的介绍感到兴奋,比如如何利用振动、温差、光能等环境中的能量来为微系统供电,这为那些无法定期充电的微型设备打开了新的大门。我了解到,实现高效的能量收集需要对能量转换器件的材料和结构进行精心的设计,并且要考虑能量的储存和管理。而且,书里还探讨了如何将这些微型电源和能量收集模块集成到复杂的微系统中,形成一个能够自主运行的智能单元。这本书让我看到了,未来很多微小的智能设备,将不再受限于电源的束缚,它们可以“自给自足”,在各种环境中默默地工作,为我们的生活带来更多便利和惊喜。

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我之所以选择阅读《微系统设计与制造》这本书,是因为我一直对那些肉眼看不见但却至关重要的科技领域充满好奇。这本书给了我一个深入了解微系统的绝佳机会。书里关于微型传感器(Micro-sensors)的部分,让我看到了科技如何渗透到我们生活的方方面面,甚至在感知世界的方式上进行革新。我被书中关于各种微型传感器的原理和设计所震撼,从温度传感器、压力传感器,到加速度传感器、陀螺仪,再到生物传感器和化学传感器,它们能够以极高的精度捕捉环境中的各种信息,并将其转化为可用的电信号。我尤其对书中关于MEMS加速度计的设计和制造过程感到着迷,它们是如何利用微小的惯性质量块和传感器件来测量加速度的,这需要精密的结构设计和高度敏感的传感技术。而且,书里还探讨了如何将这些微型传感器集成到复杂的微系统中,形成一个能够感知、分析和响应的智能单元。我被书中关于传感器校准和标定的技术细节所吸引,因为在微观尺度下,传感器的性能往往会受到多种因素的影响,需要精确的校准才能保证其准确性和可靠性。这本书让我深刻地认识到,微型传感器是构建未来智能物联网的关键组成部分,它们让设备能够“听、看、闻、触”,从而实现更智能、更便捷的生活。

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《微系统设计与制造》这本书,在我看来,是一次对物理世界“微观化”的极致探索。我之所以会被它吸引,是因为我一直对那些能够改变世界但又隐藏在幕后的技术感到着迷。书中关于微型连接器和微型电缆的部分,虽然听起来不是最“高大上”的技术,但却恰恰是构成复杂微系统不可或缺的“血管”。我读到书中关于微型电缆的屏蔽技术、绝缘材料的选择,以及如何保证它们在微小空间内实现稳定可靠的信号传输,这些细节让我看到了工程设计的严谨性。而且,书里还详细介绍了各种微型连接器的结构设计,比如微型的插拔式连接器、压接式连接器,以及如何保证它们在微小尺寸下还能实现高密度、高可靠性的电气连接。我被书中关于连接器触点的设计和镀层工艺所吸引,因为在微观尺度下,接触电阻和氧化腐蚀是影响连接可靠性的关键因素。这本书让我意识到,即便是最微小的组件,也需要经过精心的设计和制造,才能确保整个系统的正常运行。它让我看到了,在微系统领域,每一个细节都至关重要,每一个微小的连接都可能决定整个系统的成败。

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当我决定深入了解《微系统设计与制造》这本书的时候,我其实是抱着一种“打怪升级”的心态,准备迎接一场智力上的严峻考验。这本书的名字本身就带有某种神秘感和科技前沿的意味,让我迫切想要一窥究竟。读到书中关于微流控芯片的部分,我简直被迷住了。它们就像是微型的实验室,能够在一个小小的芯片上完成复杂的流体控制和化学反应,这对于生物医学研究、药物筛选、甚至是环境监测都具有划时代的意义。书里详细介绍了如何设计微通道的几何形状,如何控制微流体的流动状态,以及如何集成各种微型传感器和执行器,使得这些芯片能够实现高度自动化的分析过程。我被书中关于微型泵和阀门的设计细节所吸引,它们需要在微观尺度上精确地输送和控制液体,这要求极高的制造精度和材料特性。而且,书里还探讨了不同类型的微流控芯片,比如基于扩散的、基于压力的、以及基于电泳的,每一种都有其独特的优势和应用场景。我特别注意到书中关于表面处理技术的部分,因为在微观尺度下,表面效应往往会变得非常显著,需要精心的设计和处理才能保证芯片的性能。这本书让我意识到,微系统设计并不仅仅是“画图”那么简单,它涉及到流体力学、热力学、材料科学、以及精密制造等多个学科的交叉融合。我越读越觉得,这本书不仅是关于技术,更是一种关于如何突破物理限制、实现“微观奇迹”的思维方式的启迪。

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