納機(jī)電基礎(chǔ)效應(yīng)與器件

內(nèi)容概要

《納機(jī)電基礎(chǔ)效應(yīng)與器件》系統(tǒng)地論述了納機(jī)電器件的基本概念、尺度效應(yīng)和耦合問題，納機(jī)電器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制造、測試和表征方法，并對納機(jī)電加速度傳感器、納機(jī)電聲傳感器、納機(jī)電諧振器、微流體角速度傳感器等典型納機(jī)電器件進(jìn)行了深入闡釋。
《納機(jī)電基礎(chǔ)效應(yīng)與器件》可作為相關(guān)領(lǐng)域本科生、研究生和教師的教學(xué)參考書，并可供相關(guān)的科技人員參考使用。

作者簡介

張文棟教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任太原理工大學(xué)校長，兼任山西省政協(xié)常委、國家安全重大基礎(chǔ)研究（國防“973”）項(xiàng)目技術(shù)首席、中國兵工學(xué)會副理事長、美國IEEE學(xué)會高級會員等職。主要從事動態(tài)測試技術(shù)、微納機(jī)電系統(tǒng)等方面的研究與教學(xué)工作，先后主持完成了國防“973”、國家“863”、國家杰出青年科學(xué)基金等40余項(xiàng)科研項(xiàng)目。獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎3項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步獎一、二等獎9項(xiàng)，研究成果應(yīng)用于國家重大和重點(diǎn)武器型號，為“神舟”載人宇宙飛船逃逸和“嫦娥”星箭分離等研制了關(guān)鍵測試設(shè)備。發(fā)表學(xué)術(shù)論文逾300篇，出版專著4部，獲得發(fā)明專利39項(xiàng)。

書籍目錄

《納米科學(xué)技術(shù)大系》序
序
前言
第1章　緒論
　1.1　納機(jī)電器件與系統(tǒng)基本概念
　1.2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　1.3　本書主要內(nèi)容
　參考文獻(xiàn)
第2章　納機(jī)電器件的尺度效應(yīng)和耦合問題
　2.1　納機(jī)電器件尺度效應(yīng)
　　2.1.1　彈性模量的尺度效應(yīng)及納尺度下力學(xué)理論適用性
　　2.1.2　硅納米梁的能量耗散機(jī)制
　　2.1.3　納尺度下理論模型適用性分析
　2.2　納機(jī)電介觀壓阻效應(yīng)
　　2.2.1　力學(xué)分析
　　2.2.2　電子能態(tài)和內(nèi)建電場的影響
　　2.2.3　量子阱共振隧穿
　　2.2.4　介觀壓阻效應(yīng)的定量表述
　　2.2.5　電子自旋對介觀壓阻效應(yīng)影響方式的理論研究
　2.3　量子慣性效應(yīng)研究
　　2.3.1　原子系統(tǒng)的相干控制及相干原子源
　　2.3.2　相干集成原子光學(xué)研究
　　2.3.3　原子量子慣性傳感理論和測試方法研究
　2.4　納機(jī)電連續(xù)結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)的表征研究
　　2.4.1　微米／納米尺度并行結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)表征研究
　　2.4.2　典型納米結(jié)構(gòu)諧振特性的實(shí)驗(yàn)表征
　　2.4.3　典型納機(jī)電結(jié)構(gòu)諧振特性的測試
　　2.4.4　內(nèi)耗效應(yīng)研究
　參考文獻(xiàn)
第3章　納機(jī)電器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制造、測試和表征方法
　3.1　納機(jī)電結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵新工藝及機(jī)理研究
　　3.1.1　納機(jī)電結(jié)構(gòu)的成型方法
　　3.1.2　納米結(jié)構(gòu)定位、定向組裝方法
　　3.1.3　納米(機(jī)電)結(jié)構(gòu)的電連接方法
　　3.1.4　納米功能薄膜制備方法
　3.2　納機(jī)電功能結(jié)構(gòu)加工的共性集成工藝研究
　　3.2.1　具有“納米寬度梁”特征的納機(jī)電功能結(jié)構(gòu)的集成工藝
　　3.2.2　具有“納米厚度梁”特征的納機(jī)電功能結(jié)構(gòu)的集成工藝
　　3.2.3　具有“納米柱／針尖”特征的納機(jī)電功能結(jié)構(gòu)的集成工藝
　3.3　納機(jī)電器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加工的集成工藝研究
　　3.3.1　納機(jī)電慣性敏感結(jié)構(gòu)集成制造工藝
　　3.3.2　納機(jī)電介觀壓阻效應(yīng)傳感結(jié)構(gòu)集成制造工藝
　　3.3.3　納機(jī)電諧振器結(jié)構(gòu)集成制造工藝
　3.4　納米結(jié)構(gòu)特性測試與表征方法研究
　　3.4.1　納米薄膜應(yīng)力片上測試方法和相應(yīng)測試結(jié)構(gòu)
　　3.4.2　納米結(jié)構(gòu)尺寸形貌測量方法
　　3.4.3　納米結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性、振動特性測試方法
　參考文獻(xiàn)
第4章　納機(jī)電加速度傳感器
　4.1　納機(jī)電加速度計(jì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模仿真研究
　　4.1.1　納機(jī)電加速度計(jì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　4.1.2　納機(jī)電加速度計(jì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建模仿真
　4.2　納機(jī)電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)測試方法研究
　　4.2.1　納機(jī)電靜力學(xué)分析與測試
　　4.2.2　納機(jī)電動力學(xué)模型與測試
　　4.2.3　納機(jī)電加速度計(jì)結(jié)構(gòu)測試
　4.3　納機(jī)電加速度計(jì)特性和性能測試
　參考文獻(xiàn)
第5章　納機(jī)電聲傳感器
　5.1　介觀壓阻效應(yīng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證與傳感機(jī)理
　　5.1.1　納機(jī)電力電耦合敏感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析
　　5.1.2　壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及微分負(fù)阻特性驗(yàn)證
　　5.1.3　納機(jī)電力電耦合敏感結(jié)構(gòu)的加工及其介觀壓阻效應(yīng)
　　5.1.4　納機(jī)電力電耦合敏感結(jié)構(gòu)信號解算電路研究
　5.2　納機(jī)電水聲傳感器的設(shè)計(jì)和加工
　5.3　納機(jī)電聲傳感器的集成封裝與性能測試
　　5.3.1　納機(jī)電聲傳感器的集成封裝
　　5.3.2　納機(jī)電聲傳感器的水下性能測試
　參考文獻(xiàn)
第6章　納機(jī)電諧振器
　6.1　納機(jī)電諧振器的q值分析、驅(qū)動及檢測設(shè)計(jì)
　　6.1.1　納機(jī)電諧振器的q值分析
　　6.1.2　納機(jī)電諧振器的驅(qū)動設(shè)計(jì)
　　6.1.3　納機(jī)電諧振器檢測方法研究
　6.2　納機(jī)電諧振器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制備
　6.3　納機(jī)電諧振器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性能
　參考文獻(xiàn)
第7章　微流體角速度傳感器
　7.1　微流體角速度傳感機(jī)理研究
　　7.1.1　微流體定向運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　7.1.2　微流體定向運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制方法研究
　　7.1.3　微流體角速度傳感的微觀機(jī)理研究
　7.2　微流體行為可視結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法研究
　　7.2.1　低應(yīng)力振動膜的關(guān)鍵加工工藝的優(yōu)化和設(shè)計(jì)
　　7.2.2　玻璃襯底上懸浮敏感梁的設(shè)計(jì)和制作
　　7.2.3　利用多層掩模制造4種不同深度的硅結(jié)構(gòu)
　　7.2.4　振動膜上電極的低電阻連接
　7.3　微流體角速度傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法研究
　　7.3.1　熱流式角速度傳感器結(jié)構(gòu)加工
　　7.3.2　射流式角速度傳感器結(jié)構(gòu)加工
　7.4　微流體信號處理方法與試驗(yàn)研究
　　7.4.1　敏感信號檢測
　　7.4.2　驅(qū)動控制技術(shù)研究
　　7.4.3　微流體角速度傳感器測試
　參考文獻(xiàn)
第8章　納機(jī)電器件與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景
附錄縮略語
彩圖

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：第8章 納機(jī)電器件與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景納機(jī)電器件與系統(tǒng)是基礎(chǔ)性、前沿性、交叉性新興學(xué)科，是納米技術(shù)的重要組成部分，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。納機(jī)電效應(yīng)包括在納米尺度展現(xiàn)出全新的物理性能、物理效應(yīng)，如納米尺度下的尺度效應(yīng)、力電耦合效應(yīng)、量子效應(yīng)等。納機(jī)電器件研究的材料包括硅、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅以及碳納米管等。納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的研究將產(chǎn)生新原理、新概念器件，將突破常規(guī)器件的性能極限，并將實(shí)現(xiàn)超微型化和高功能密度化。納機(jī)電器件比MEMS器件靈敏度可提高1～3個量級，功耗降低1～2個量級。納機(jī)電技術(shù)既可以用于改造現(xiàn)有儀器設(shè)備，又能夠發(fā)展新一代微型裝置。我國在“十五”、“十一五”期間支持了納機(jī)電器件基礎(chǔ)。開展了納機(jī)電慣性、聲以及諧振器件基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、制造和測試方法研究，揭示了原子慣性光學(xué)和熱流慣性傳感、納米薄膜共振隧穿、納米結(jié)構(gòu)動力學(xué)的規(guī)律，建立了納傳感和力電耦合結(jié)構(gòu)與器件的設(shè)計(jì)理論、刻蝕與生長相結(jié)合的納結(jié)構(gòu)制造方法、可進(jìn)行標(biāo)定傳遞的納結(jié)構(gòu)表征方法，開發(fā)出尺度在10～100nm的納結(jié)構(gòu)成套加工工藝，研制出特征尺寸小于100nm、超高靈敏度的納機(jī)電慣性、聲傳感和超低功耗諧振器件。納機(jī)電加速度傳感器采用了微納組合的結(jié)構(gòu)，利用納米支撐結(jié)構(gòu)提高彈性系數(shù)質(zhì)量比，利用集成光柵干涉實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移檢測。目前研制納機(jī)電加速度傳感器靈敏度約為g量級；納機(jī)電水聽器利用多層納米薄膜的共振隧穿效應(yīng)，設(shè)計(jì)并加工出納機(jī)電矢量水聲傳感器結(jié)構(gòu)，具有矢量探測的性能，同時靈敏度可比傳統(tǒng)壓電陶瓷水聽器提升一個數(shù)量級；納機(jī)電器件技術(shù)可以將機(jī)械諧振器件做得更小，品質(zhì)因數(shù)可達(dá)萬級，頻率可達(dá)GHz，從而為射頻系統(tǒng)提供一個全新的解決方案，提高射頻系統(tǒng)的性能，可望發(fā)展出新一代射頻通信系統(tǒng)。但從總體上看，納機(jī)電系統(tǒng)研究目前仍然處于起步階段，研究工作正在不斷深化。從技術(shù)上來講，其研究熱點(diǎn)已經(jīng)從納米材料到納機(jī)電效應(yīng)，并正逐步轉(zhuǎn)向納機(jī)電器件研究；材料體系方面從碳納米管和硅材料，進(jìn)一步發(fā)展到基于砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等材料；納機(jī)電效應(yīng)研究，則從力學(xué)效應(yīng)，發(fā)展到熱效應(yīng)、磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等多方面。目前納機(jī)電研究方面，國際上最新研究熱點(diǎn)表現(xiàn)在如下四個方面。（1）納機(jī)電效應(yīng)的深入研究隨著尺度向微米級和納米級縮小，物體的有些宏觀特性將發(fā)生改變，并會出現(xiàn)一些新的性質(zhì)。如在MEMS中，經(jīng)典物理學(xué)定律基本適用。

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