《微机电器件设计、仿真及工程应用》对微机电系统基础理论、关键问题及常用硅微机械器件做了详细介绍。在此基础上，以微机电系统中常用的核心器件为对象，结合大量工程实例，采用Ansys软件，详细介绍了采用有限元仿真技术对其设计可行行验证的方法括结构的静力学仿真、模态仿真、静电仿真、热力学仿真以及疲劳仿真等，为在有限元仿真技术方面的相关研究提供了一定的技术支持。
《微机电器件设计、仿真及工程应用》可作为从事MEMS研究的设计人员的参考书，也可作为相关专业研究生的教材。

目录

前言/序言

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）几十年发展起来的新兴领域，是在微电子技术基础上发展起来的21世纪前沿技术，主要是指以硅为基底材料，对行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它是可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统，来发展起来的一种新型多学科交叉技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微机电系统是目前重要的研究领域之一。
作者以多年科研成果为讲解实例，结合多年相关研究经验，介绍了MEMS的基础理论、重要的MEMS材料、制作工艺流程、工艺流程设计思想以及工程实例等。在此基础上，结合作者多年的工作经验，详细介绍了几种典型的采用微机电器件对诸多参行测试的实例括硅MEMS加速度传感器、硅MEMS角速度传感器、硅MEMS压力传感器、微力矩测量方法等。后，结合大量的工程实例，详细介绍了有限元法在MEMS器件设计中的应用。
第1章从制作工能尺两方面介绍了MEMS的定义及详细的发展历程，简要介绍了计算机辅助设计技术在微机电系统中的应用；第2章以MEMS中常用的单端固支梁，双端固支梁、梳齿驱动器及膜片等为对象，详细介绍了相关的理论基础，为后续设计提供理论支持；第3章介绍了MEMS中常用的几种材料的特性、设计中要注意的重要问题等；第4章结合作者的研究经历，详细介绍了各种MEMS制作工艺括MEMS光刻工艺、体硅工艺、表面硅工艺、LIGA工艺、键合技术等，结合设计工艺，详细介绍了MEMS器件工艺版图的设计思想，行了实例详解；第5章结合微尺度效应，介绍了MEMS器件的摩擦学磨损特性，并结合作者的科研经历，详细介绍了一种片上微摩擦测试机构的设计、仿真、装配及测试等，为相关研究提供了一定的理论支持；第6章结合作者的工作经历，详细介绍了几种典型参数的MEMS测试方法括加速度、角速度、压力、微力矩以及微小力等；第7章以几种在MEMS中常用的器件为对象，详细介绍了其有限元仿真过程括静态分析、模态分析、热一结构耦合分析、电容分析、疲劳分析等。
本书由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院郭占社副教授及周富强教授担任主编。感谢北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院樊尚春教授在基础理论、信号测试以及稿件撰写方面给予的支持及指导；感谢北京长城航空测控技术研究所黄漫国博士在第2章的编写中给予的支持；感谢天津津航计算技术研究所十三室张楠工程师在第4章芯片制作工艺方面给予的支持；感谢中国矿业大学李艳副教授在第6章传感器测试技术方面给予的支持。感谢全军基础类研究项目（项目批准号：2019012905）及国家自然科学基金项目“面向宽量程频率型硅微传感器敏感结构非线性振动的表征与补偿方法研究”（项目批准号：61973308）对本书的支持。
本书可作为从事MEMS研究的设计人员的参考书，也可作为相关专业研究生的教材。
微机电系统是一个涉及多学科的广阔研究领域，由于作者学识、有限，只对其中很少一部行了介绍，若书中有错误与不妥之处，敬请读者批评指正。

第l章绪论

pan >．pan>微机电系统概述

pan >．2微机电系统的发展历程

pan >．3 MEMS CAD

参考文献

第2章典型MEMS元件及理论基础

2．1 MEMS静电梳齿理论

2．pan>．pan>概述

2．pan>．2结构工作原理

2．pan>．3理想状况板电容理论

2．pan>．4修正计算模型推导

2．pan>．5理想状况下静电梳齿驱动器驱动力的计算

2．pan>．6静电梳齿驱动器微弱电容检测方法

2．2 MEMS悬臂梁理论--

2．2．pan>概述--

2．2．2悬臂粱理论计算方法

2．2．3单端固支梁轴向拉压相关理论计算

2．2．4双端固支梁轴向拉压相关理论计算一

2．3 ME：MS薄膜理论

2．4小结

参考文献

第3章MEMS材料

3．pan>概述

3．2单晶硅

3．2．pan>单晶硅材料的特点

3．2．2单晶硅的晶向

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微机电系统(Miclro一Electr0一Mechani~：a1 System，MEMS)几十年发展起来的新兴领域，是在微电子技术基础上发展起来的2pan>世纪前沿技术．主要是指以硅为基底材料，对行设计、加T、制造、测量和控制的技术。它是可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统，年来发展起来的一种新型多学科交叉技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微机电系统是目前重要的研究领域之一。

作者以多年科研成果为讲解实例，结合多年相关研究经验，介绍了MEMS的基础理论、重要的MEMS材料、制作工艺流程、工艺流程设计思想以及工程实例等。在此基础上，结合作者多年的工作经验．详细介绍了几种典型的采用微机电器件对诸多参行测试的实例括硅MEMS加速度传感器、硅MEMS角速度传感器、硅MEMS压力传感器、微力矩测量方法等。最后，结合大量的工程实例，详细介绍了有限元法在MEMS器件设计中的应用。

第pan >章从制作工能尺两方面介绍了MEMS的定义及详细的发展历程，简要介绍了计算机辅助设计技术在微机电系统中的应用；第2章以MElMs中常用的单端固支梁、双端固支梁、梳齿驱动器及膜片等为对象．详细介绍了相关的理论基础，为后续设计提供理论支持；第3章介绍了ME：Ms中常用的几种材料的特性、设计中要注意的重要问题等；第4章结合作者的研究经历．详细介绍了各种MEMSMEMS光刻下艺、体硅丁艺、表面硅工艺、键合技术等，结合设计工艺，详细介绍了MEMS器件工艺版图的设计思想，行了实例详解；第5章结合微尺度效应，介绍了MEMS器件的摩擦学磨损特性．并结合作者的科研经历，详细介绍了一种片上微摩擦测试机构的设计、仿真、装配及测试等，为相关研究提供了一定的理论支持；第6章结合作者的工作经历，详细介绍了几种典型参数的MEMS测试方法括加速度、角速度、压力、微力矩以及微小力等；第7章以几种在MEMS中最常用的器件为对象，详细介绍了其有限元仿真过程括静态分析、模态分析、热一结构耦合分析、电容分析、疲劳分析等。

本书由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院郭占社副教授及周富强教授担任主编。感谢北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院樊尚春教授在基础理......

pan >．pan>微机电系统概述

微机电系统(M1cr0 Electro—Mec：hanical systencl，MEMS)几十年发展起来的新兴领域，是建立在微米／纳米技术(micr0／nanotechnolt3gy)基础上的2pan>世纪前沿技术，主要是指以硅为基底材料，对行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它是可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它采用微电子技术和微加工技术(LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统，年发展起来的一种新型多学科交叉技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多门学科。

在微机电系统中，由于器件R在微米量级，体现出了明显的“尺效应”，导致传统机电系统、微机电系统以及纳机电系统的许多物理特性括力学特性、传热特性、摩擦学特性等具有较大差异，其理论研究基础及加TT艺也几乎不同。很多传统理论如传热理论、流体理论及摩擦学理论等，在微／纳机电系统中已不再适用。很多研究会涉及分子动力学、量子力学及统计学等微观理论，并将其作为研究的主要理论基础，如图pan>．pan>所示。而在纳机电系统巾，器件加工主要采用了聚焦离子束技

(5)良好的机械特性

MEMS器件的主要制作材料为硅，其强度、硬度和弹性模量与钢相当，密度类似铝，热传导率则钼和钨，并且材料的迟滞小，体现了良好的机械特性，对于很多对结构重量、体积、迟滞、重复性等要求较高的微机电器件来说，硅是一种良好的基底材料，可保证微机电器件的机械特性。

(6)能耗低

MEMS器件体积小的特点决定了其能耗必然相应地低，同时信号也会微弱，导致噪声处理困难。因此，微弱信号处理技术是微机电系统中重要的一门学科。

MEMS的出现和发展，将信息系统的微型化能化、智能化和可靠性提高到了新的高度。目前，MEMS在工业、信息、通信、国防、航空、航天、航海、、生物工程、农业、环境和家庭服务等领域都有着巨大的应用前景，已经引起了世界各国的高度重视并投入了大量人力物行研发。因此，MEMS技术必将成为继微电子技术之后的又一重大高新技术产业。

美国是最早研究并试MEMS器件的国家，它对MEMS的研究始于20世纪60年代中期，80年代后期引起普遍重视。美国国家基金会于1988年投入100万美元资助MIT、加州理工学院等8所大学和Bell实验室开始从事MEMS的主要项目研究，1 989年将经费增加到200万美元，1 993年增加到500万美元。1994年，美国国家关键技术委员会在提统的报告中将“微、纳米级制造”列为国家关键技术项目。以发展两用技术为宗旨的美国高级研究计划局在1995财年计划中，将MEMS视为直接关系国防与经济发展的高技术加以发展。此外，美国航空航天公司在1993年就ME；MS对未来航天系统的潜在影行了调查和评估。目前，美国国会已把MEMS作为2pan>世纪发展的学科之一。随后，日本、德国等也纷行了MEMS技术的研究。目前，MEMS技术几乎遍及各个领域，其产品市场销售额

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