微机电系统设计：建模、仿真与可视化 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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卢桂章，赵新 著

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• 微机电系统
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• 仿真
• 可视化
• 传感器
• 执行器
• 集成电路
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• 工程
• 微纳技术

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030292209

商品编码：29690908338

包装：精装

出版时间：2010-10-01

基本信息

书名：微机电系统设计：建模、仿真与可视化

定价：56.00元

作者：卢桂章,赵新

出版社：科学出版社

出版日期：2010-10-01

ISBN：9787030292209

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.599kg

编辑推荐

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《半导体科学与技术丛书》将致力于反映半导体学科各个领域的基本内容和**进展，力求覆盖较广阔的前沿领域，展望该专题的发展前景，包括半导体物理、材料、器件、电路等方面的进展和所开展的工作。
本书为其中一册，建立了一种微电子机械器件的设计方法，可供微电子机械设计人员参考使用，也可作为相关专业高年级本科生和研究生的专业课教材和学习参考书。

内容提要

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本书建立了一种微电子机械器件的设计方法，对现有设计系统功能作了一些重要的补充和完善，其基本思路是在设计阶段，当版图和工艺设计完成后，通过建立运动部件的动态模型，进行三维可视化仿真，形成器件在虚拟环境中运行，从而对器件的运动功能进行评测。这种功能主要体现在：应用三维可视化技术得到器件加工后的三维实体模型和进行可加工性验证；对此实体模型进行动态建模，并进行虚拟运行，以考察其运动性能：建立基于IP库的设计系统，提供了一种自顶向下和自底向上相结合的设计手段。系统是开放的，各种功能都有延伸发展的空间。
本书可供微电子机械设计人员参考使用，也可作为相关专业高年级本科生和研究生的专业课教材和学习参考书。

目录

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前言
章 绪论
1.1 MEMS发展历史的简要回顾
1.2 MEMS应用一瞥
1.2.1 传感微系统
1.2.2 微执行器
1.2.3 信息微系统
1.2.4 生物微系统
1.2.5 军事用MEMS器件
1.3 MEMS设计现状概述
1.3.1 系统级仿真
1.3.2 器件级仿真
1.3.3 工艺级仿真
1.4 当前MEMS设计存在的问题及其解决途径
1.4.1 MEMS与IC的差别及其对设计的影响
1.4.2 动态性能的建模仿真与虚拟运行
1.4.3 IP库与虚拟工艺
1.4.4 关于设计方法学的一些思考
参考文献
第2章 微机电系统工艺级仿真——虚拟工艺技术
2.1 虚拟工艺的一般概念
2.1.1 MEMS的工艺仿真
2.1.2 什么是虚拟工艺
2.1.3 虚拟工艺的两种技术路线
2.2 微机电系统制造工艺
2.2.1 光刻
2.2.2 表面硅工艺
2.2.3 体硅工艺
2.2.4 键合工艺
2.2.5 LIGA工艺
2.2.6 其他工艺
2.3 基于专家知识的工艺流程仿真
2.3.1 基于体块模型的虚拟工艺
2.3.2 基于体素（voxel）模型的虚拟工艺
2.4 基于物理模型的MEMS工艺仿真
2.4.1 投影式光学光刻工艺仿真
2.4.2 DRIE工艺仿真
2.5 小结
参考文献
第3章 微机电系统的行为级仿真建模方法
3.1 基于机理的动态模型建模方法
3.1.1 微悬臂梁动力学模型
3.1.2 微加速度计的动态模型
3.1.3 微马达的动态模型
3.2 基于系统辨识的动态模型建模方法
3.2.1 基于系统辨识的建模方法
3.2.2 基于系统辨识的建模方法的实施过程
3.3 MEMS器件动态模型建模实例
3.3.1 电容式微加速度计的动态模型
3.3.2 微流量泵的动态模型
3.4 基于标准等效结构的建模方法
3.4.1 基本思路和一些概念
3.4.2 等效到机械域的等效结构建模方法
3.5 电路标准等效模型的建模与仿真方法
3.5.1 基本思路和一些概念
3.5.2 标准等效结构模型
3.5.3 静电换能器模型
3.6 采用VHDL AMS语言的建模与仿真方法
3.6.1 VHDL AMS建模方法
3.6.2 微加速度计的VHDL AMS语言建模与仿真
3.7 小结
参考文献
第4章 微机电系统的虚拟运行
4.1 虚拟运行的实现框架
4.1.1 什么是虚拟运行
4.1.2 虚拟运行的入口——虚拟组装
4.1.3 虚拟运行的流程
4.1.4 动态模型求解
4.1.5 三维可视化技术
4.2 虚拟运行实例
4.2.1 微悬臂梁机理模型求解与虚拟运行
4.2.2 微马达机理模型数值解与虚拟运行
4.2.3 微流量泵的模型与虚拟运行
4.3 小结
参考文献
第5章 基于IP库的MEMs设计系统
5.1 基于IP库的MEMS设计方法
5.1.1 IP库的概念
5.1.2 基于IP库的MEMS设计流程
5.2 可视化建模方法——虚拟组装
5.2.1 虚拟组装的基本流程
5.2.2 基于节点分析法的虚拟组装
5.2.3 基于节点分析法的虚拟组装的实现
5.3 基于IP库的MEMs设计系统的形式化描述
5.3.1 IP库的形式化描述
5.3.2 系统功能形式化描述
5.3.3 设计系统的形式化描述
5.4 基于IP库的MEMS设计系统实现
5.4.1 基于IP库的MEMS设计系统的总体框架
5.4.2 IP模块及IP库的实现
5.4.3 微泵设计过程的实现
5.4.4 基于IP库的MEMS设计系统的器件设计
5.5 小结
参考文献
第6章 MEMS器件设计案例
6.1 微镜光开关的设计
6.1.1 微镜光开关的总体设计
6.1.2 静电驱动光开关模型
6.1.3 光开关结构模态分析
6.1.4 光开关虚拟运行
6.1.5 虚拟工艺
6.2 硅微加速度计的设计
6.2.1 硅微加速度计概述
6.2.2 电容式微加速度计结构设计与分析
6.2.3 双端四梁微加速度计的虚拟工艺仿真
6.2.4 双端四梁微加速度计的虚拟组装
6.2.5 双端四梁加速度计的虚拟运行
6.2.6 加工结果及机械性能检验
6.2.7 封装及电路测试
6.3 静电驱动式微夹钳的设计
6.3.1 静电驱动式微夹钳概述
6.3.2 静电驱动式微夹钳结构设计与分析
6.3.3 虚拟工艺仿真
6.3.4 基于机械域等效结构的虚拟组装
6.3.5 基于电域的基本等效结构模型的虚拟运行
6.3.6 实际加工结果及其精度验证
6.4 小结
参考文献
《半导体科学与技术丛书》已出版书目

作者介绍

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文摘

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序言

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微机电系统设计：建模、仿真与可视化 一、 项目背景与研究意义 微机电系统（MEMS）作为一项革命性的技术，正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面。从智能手机的传感器、医疗诊断设备，到航空航天领域的精密导航，再到工业生产的自动化控制，MEMS的 ubiquity 已经成为现代科技不可或缺的一部分。MEMS器件的微小尺寸、高集成度、低功耗以及独特的功能，使其在诸多领域展现出巨大的应用潜力。然而，MEMS的设计与制造过程却面临着严峻的挑战。其固有的跨学科性，涉及微电子学、机械工程、材料科学、物理学、化学等多个学科领域，使得单一学科的知识难以支撑其复杂的设计需求。 MEMS器件的物理行为通常受到多物理场耦合效应的影响，例如机械应力与电场、温度与流体动力学等的相互作用。这些耦合效应的精确理解和预测，对于保证器件的性能、可靠性和鲁棒性至关重要。传统的设计方法，依赖于经验和迭代，在MEMS领域显得力不从心。由于MEMS器件的尺寸极小，其性能的细微变化往往会导致宏观功能的巨大差异。而物理原型制造的成本高昂且周期漫长，使得在设计初期进行大量的实验验证变得不切实际。因此，一套系统性的、高效的、可重复的设计流程，能够有效降低研发成本，缩短研发周期，并最终实现高性能、高可靠性的MEMS器件，是当前MEMS工程领域迫切需要解决的关键问题。 本研究聚焦于MEMS器件的设计方法论，旨在建立一套基于建模、仿真与可视化的集成化设计流程。通过深入研究MEMS器件的设计原理，利用先进的建模技术准确描述器件的几何结构和物理特性；借助强大的仿真工具，预测器件在不同工作条件下的行为表现，揭示其内部的复杂耦合物理现象；并结合直观的可视化手段，帮助设计者理解仿真结果，优化设计参数，从而实现对MEMS器件设计的科学化、系统化和智能化。这种方法论的建立，不仅能够极大地提升MEMS设计效率，降低研发门槛，更能推动MEMS技术在更广泛领域的创新与应用，为实现下一代智能传感器、精密执行器以及微型机器人等前沿技术提供坚实的基础。 二、 研究内容概述 本研究深入探讨了微机电系统（MEMS）的设计方法，核心在于构建一个集建模、仿真与可视化于一体的完整设计流程。本研究并非简单罗列MEMS器件的种类或应用，而是着力于揭示和传授MEMS设计背后的科学原理、工程方法以及先进工具的应用。 1. MEMS器件的建模理论与实践 多尺度与多物理场建模： MEMS器件的设计涉及到从微观层面的材料行为到宏观层面的系统集成，因此，理解并掌握不同尺度下的建模方法至关重要。研究将深入探讨如何建立能够准确描述MEMS器件的几何形状、材料属性以及多物理场耦合效应（如静电、压电、热、流体、磁场等）的数学模型。这包括对连续介质力学、电磁学、热力学以及流体动力学等基础物理理论在MEMS尺度下的具体体现进行分析。 解析建模与数值建模： 对于一些简单的MEMS结构，可以采用解析方法建立精确的数学模型，快速获得设计初期的性能评估。但对于复杂的几何形状和耦合效应，解析方法往往难以实现。因此，本研究将重点介绍基于有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限差分法（FDM）等数值方法的建模技术。这些方法能够处理复杂边界条件和非线性问题，为MEMS器件的精确设计提供强大的支持。 模型降阶与高效表达： 复杂的MEMS器件模型往往需要巨大的计算资源。研究将探讨模型降阶技术，例如模态分析、本征正交分解（POD）等，用于简化模型，减少计算量，从而加速仿真过程，提高设计效率，尤其是在需要进行大量参数扫描或优化时。 面向应用的特定模型： 针对不同类型的MEMS器件（如微传感器、微执行器、微流控芯片等），研究将介绍其特有的建模方法和考虑因素。例如，针对微传感器的建模，将关注其灵敏度、分辨率、线性度等关键性能参数的预测；针对微执行器的建模，将重点研究其驱动力、响应速度、功耗等。 2. MEMS器件的仿真分析技术 仿真环境与工具： 本研究将介绍和评述当前主流的MEMS仿真软件，如COMSOL Multiphysics, ANSYS, Coventorware等。这些软件提供了强大的建模、网格划分、求解器以及后处理功能，能够实现对MEMS器件的多物理场耦合仿真。研究将重点讲解如何有效地利用这些工具，将建立的物理模型转化为可执行的仿真任务。 稳态与瞬态仿真： 仿真内容将涵盖稳态分析，用于预测器件在稳定工作条件下的性能，以及瞬态分析，用于研究器件的动态响应，如频率响应、阻尼特性、瞬态功耗等。 参数化扫描与优化仿真： 为了在设计过程中探索设计参数空间，本研究将介绍如何进行参数化扫描，系统地研究不同设计参数对器件性能的影响。在此基础上，还将探讨如何利用优化算法（如遗传算法、梯度下降法等）与仿真工具相结合，实现MEMS器件的自动设计和性能优化，以达到预设的设计目标。 可靠性与鲁棒性仿真： MEMS器件的可靠性是其商业化应用的关键。研究将涉及如何通过仿真预测器件在各种应力、温度、湿度以及老化效应下的性能衰减和失效机理，从而指导设计者进行可靠性设计。同时，也将研究环境变化对器件性能的影响，提高器件的鲁棒性。 3. MEMS设计结果的可视化与解释 仿真结果的直观呈现： 仿真结果往往是大量的数值数据。本研究将强调如何利用可视化工具将这些数据转化为易于理解的图形和动画，例如位移云图、应力分布图、电势分布图、流体速度场图等。这些可视化结果能够直观地展示器件内部的物理现象，帮助设计者发现潜在的问题。 多物理场耦合的可视化： MEMS器件的核心在于多物理场的耦合。研究将重点介绍如何有效地可视化和理解这些耦合效应，例如，如何同时展示电场激励下的形变，或温度变化引起的热应力分布。 设计空间探索与交互式可视化： 结合参数化扫描和优化仿真，研究将介绍如何构建交互式的可视化界面，使设计者能够实时观察不同设计参数变化对器件性能的影响，从而更直观地进行设计决策。 与CAD/CAM的集成： 研究还将探讨如何将仿真和可视化结果与CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）流程进行集成，实现设计、仿真、制造的无缝对接，加速MEMS器件的整个生命周期。 三、 预期成果与创新点 系统性的MEMS设计方法论： 本研究旨在建立一套完整、系统且可操作的MEMS设计方法论，涵盖从概念设计、理论建模、仿真分析到结果可视化和优化设计的全过程。该方法论将为MEMS工程师提供一套科学的设计框架，克服传统设计方法在复杂性和效率上的局限。 集成化设计流程： 通过整合先进的建模技术、强大的仿真工具以及直观的可视化手段，本研究将构建一个高效的集成化MEMS设计流程。该流程能够显著缩短MEMS器件的研发周期，降低设计成本，并提高设计成功率。 深入的多物理场耦合分析： 聚焦于MEMS器件中复杂的多物理场耦合效应，本研究将提供深入的理论分析和仿真手段，帮助设计者准确理解和预测这些耦合现象对器件性能的影响，从而实现更精准的设计。 创新的可视化与交互式设计： 在可视化方面，本研究不仅关注结果的呈现，更强调对复杂物理现象的直观解释以及交互式设计。通过先进的可视化技术，让设计者能够更深入地洞察设计细节，并直观地进行设计优化。 加速MEMS技术的产业化应用： 通过提供一套高效、可靠的设计工具和方法，本研究将直接助力MEMS技术的产业化进程。无论是新型传感器、微执行器还是微流控系统，都将受益于本研究提出的设计理念和技术，从而更快地实现产品化和商业化，推动相关领域的科技进步和产业升级。 推动学科交叉与人才培养： MEMS的设计inherently involves跨学科的知识。本研究通过系统性的方法论，将有助于促进不同学科背景的研究者和工程师之间的交流与合作，培养具备跨领域知识和工程实践能力的复合型人才。 四、 目标读者 MEMS工程师与研发人员： 致力于MEMS器件的设计、开发与优化的工程师和研究人员，特别是希望提升设计效率、解决复杂耦合问题、或进行性能优化的从业者。 高校与科研院所的学生： 学习微电子学、机械工程、材料科学、物理学、电子工程等相关专业的本科生、硕士生和博士生，希望深入了解MEMS设计原理、掌握先进仿真工具、为未来的科研或职业生涯打下坚实基础。 对MEMS技术感兴趣的技术管理者： 需要了解MEMS技术发展趋势、评估MEMS项目可行性、或对MEMS创新应用进行决策的技术领导者。 相关行业的技术支持与应用专家： 从事传感器、执行器、微流控、医疗器械、汽车电子、消费电子等相关行业的工程师，需要理解MEMS器件的设计原理和性能特点，以便更好地进行产品集成与应用。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书的时候，我的第一感受是它的厚度和分量，这显然不是一本泛泛而谈的入门读物，而是一部可以作为长期参考手册的力作。我翻阅了其中关于“建模”的章节，发现作者并没有停留在简单的理论推导上，而是深入探讨了如何将实际的物理过程转化为数学模型，这一点对于工程实践者来说至关重要。书中的案例分析似乎非常贴近实际工程问题，比如传感器和执行器的设计挑战，这让我感到非常踏实。它强调的不仅仅是“知道”原理，更是“如何应用”原理去解决真实世界中的难题。尤其是那些涉及到多物理场耦合的章节，那些复杂的偏微分方程和边界条件的处理，都被作者细致地梳理和解析，读起来虽然需要集中精力，但每深入一层，都会有一种豁然开朗的成就感，仿佛自己正在亲手构建一个精密的微观器件。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格是那种非常严谨、一丝不苟的学术风格，但令人惊喜的是，它在保持专业性的同时，并没有牺牲可读性。我注意到作者在解释一些关键概念时，会穿插一些历史背景或者应用前景的讨论，这使得原本枯燥的工程数学变得生动起来。尤其是在“可视化”这一块，我看到有关于如何将仿真结果渲染成三维动态图谱的介绍，这极大地提升了沟通效率——毕竟，一个好的图胜过千言万语的报告。对于需要向非专业人士解释复杂设计成果的研究人员或工程师来说，这本书提供的工具和思路无疑是宝贵的财富。它教会我的不仅仅是技术，更是一种高效且富有洞察力的知识传递方式。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的“仿真”部分抱有极高的期待，因为在当前的技术迭代速度下，仿真能力几乎是衡量一个工程师水平的重要标准。我随手翻到中间关于有限元分析（FEA）的部分，发现书中对不同求解器的选择和参数设置有着非常详尽的指导，这可比网上那些零散的教程要系统和深入得多。它似乎不仅告诉我们“做什么”，更重要的是解释了“为什么这么做”，以及在不同情境下选择特定算法的优劣权衡。对于我这种习惯于动手实践的人来说，这本书提供了一种严谨的思维框架，让我在面对新的仿真任务时，不再是盲目试错，而是能够基于扎实的理论基础进行高效的优化和验证。这本教材更像是一位经验丰富的大师，手把手地引导你走过从概念到虚拟原型的全过程。

评分☆☆☆☆☆

总的来说，这本书给我的感觉是“厚重而实用”。它没有追求短平快地让你掌握皮毛，而是致力于打下一个坚不可摧的知识地基。我欣赏它那种对细节的执着追求，无论是公式的推导过程，还是软件操作的特定步骤，都处理得恰到好处。这本书仿佛是作者多年一线工作经验和学术研究的结晶，将理论的深度和工程的广度完美地融合在一起。对于任何渴望在微机电系统领域深耕，并希望从“会用工具”跃升到“理解工具背后的原理”的人来说，这本书无疑是一份值得珍藏的资源，它提供的知识体系是如此全面和深入，足以支撑未来的长期发展。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常引人注目，那种深邃的蓝色调和抽象的几何图形组合在一起，立刻抓住了我的眼球。虽然我对“微机电系统设计”这个领域了解不多，但这本书的标题——《微机电系统设计：建模、仿真与可视化》——听起来就充满了挑战性和前沿性。我迫不及待地翻开目录，发现它似乎将复杂的理论知识以一种结构化的方式呈现出来，从基础概念的建立到高级应用的探讨，逻辑清晰，步步深入。我特别关注了关于“可视化”的部分，想象着如何能将那些肉眼不可见的微观世界通过软件工具生动地展现出来，这无疑是理解复杂动态系统的关键。这本书的排版也相当考究，图文并茂，即使是初次接触这个领域的读者，也能在丰富的插图和详实的文字说明中找到学习的乐趣，而不是被密密麻麻的公式和晦涩的术语所困扰。