相對(duì)于人們對(duì)涉及的非傳統(tǒng)物理的理解，MEMS技術(shù)發(fā)展得非常快。只有深刻掌握其基本原理，才能促進(jìn)MEMS技術(shù)的提高，才有可能進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，并讓其在現(xiàn)有的和設(shè)想的各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本書(shū)是MEMS手冊(cè)中的基礎(chǔ)部分，提供有關(guān)MEMS理論和技術(shù)基礎(chǔ)的文獻(xiàn)和參考。書(shū)中除了介紹MEMS在微小尺度方面的物理學(xué)、流體力學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、電、潤(rùn)滑，還包含了控制理論、分布式控制及軟計(jì)算的內(nèi)容。這些內(nèi)容涉及未來(lái)應(yīng)用的各種重要基礎(chǔ)知識(shí)，將其應(yīng)用于微傳感器和微執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約能源的有效控制并提高人工裝置性能。本書(shū)可供MEMS技術(shù)人員和設(shè)計(jì)人員使用，也可供MEMS專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生參考。
過(guò)了沒(méi)多大一會(huì)兒，我覺(jué)得有個(gè)什么活的東西在我的左腿上蠕動(dòng)，輕輕地向前移著，越過(guò)我胸脯，幾乎到了我的下巴前。我盡力將眼睛往下看，竟發(fā)現(xiàn)一個(gè)身高不足六英寸、手持弓箭、背負(fù)箭袋的人！……僥幸的是我把繩子掙斷了，拔出了將我的左臂固定到地上的木釘。我把左臂舉到眼前，發(fā)現(xiàn)了他們綁縛我的方法。這時(shí)我又用力一扯，雖然十分疼痛，但還是將綁我左邊頭發(fā)的繩子扯松了一點(diǎn)，這樣我才能稍稍將頭轉(zhuǎn)動(dòng)大約兩英寸。……這些人是十分出色的數(shù)學(xué)家，在皇帝的支持與鼓勵(lì)下，他們機(jī)械學(xué)方面的知識(shí)也達(dá)到了極其完美的程度。這個(gè)皇帝以崇尚、保護(hù)學(xué)術(shù)而聞名。這個(gè)皇帝有好幾臺(tái)裝有輪子的機(jī)器，用來(lái)搬運(yùn)樹(shù)木和其他的一些重物。
�。ā陡窳蟹鹩斡洝h(yuǎn)航小人國(guó)》，喬納森·斯威夫特，1726）
在內(nèi)華達(dá)州的沙漠中，一個(gè)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了可怕的失誤。納米粒子云—微型機(jī)器人—已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逃出。這云可以自我維持和自我復(fù)制。它很聰明并且可以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。對(duì)于所有的實(shí)際目的，它是活的。
它被設(shè)置為一個(gè)捕食者。它在不斷進(jìn)化，每一小時(shí)都變得更加致命。
所有摧毀它的企圖都已經(jīng)失敗。
而我們則是它的獵物。
（邁克爾·克萊頓的技術(shù)驚悚著作《獵物》，哈珀柯林斯出版社，2002）
近三個(gè)世紀(jì)之余，富有想象力的小說(shuō)家都在引用上述設(shè)想的、有時(shí)比我們大很多或比我們小得多的生物的存在性。1959年，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼設(shè)想制造出比制造者要小得多的機(jī)器。人類(lèi)自身的尺寸，略微超過(guò)1m，恰好位于最小尺寸的亞原子粒子（約10-26m）和可觀測(cè)的最大尺寸的宇宙范圍（約1026m）的正中間。制造工具是人類(lèi)特有的能力，這種能力將人與地球上的所有其他物種區(qū)分開(kāi)來(lái)。在40萬(wàn)年前，古代的智人就雕刻出了符合空氣動(dòng)力學(xué)的木制長(zhǎng)矛。人制造的東西與他的大小相一致，通常在數(shù)量級(jí)比自己大或小兩個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)。我們不停地挑戰(zhàn)著時(shí)間和空間的極限，喬納森·斯威夫特(Jonathan Swift,1726)就在他著名的《格利佛游記》中，對(duì)世界上常規(guī)物理尺度的放大和縮小進(jìn)行了大膽預(yù)測(cè)。從宏觀上看，公元前2600年，埃及建造的胡夫金字塔高達(dá)147m，而1931年竣工的帝國(guó)大廈高達(dá)449m。在建筑物高度不斷創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄的同時(shí)，我們?nèi)祟?lèi)的設(shè)計(jì)也在向著另外一個(gè)方向努力。一枚硬幣的直徑一般略大于2cm，從13世紀(jì)制表工匠就開(kāi)始嘗試微小型化制作工藝，17世紀(jì)顯微鏡的發(fā)明則開(kāi)辟了直接觀察微生物、植物和動(dòng)物細(xì)胞的途徑，20世紀(jì)后半葉則出現(xiàn)了更小的人造物體，今天集成電路中晶體管在生產(chǎn)中的尺寸達(dá)到了018μm，而實(shí)驗(yàn)室中則接近10nm（實(shí)際上在2013年生產(chǎn)中已經(jīng)達(dá)到22nm，但是實(shí)驗(yàn)室水平并沒(méi)有顯著提高，是否意味著摩爾定律終于要失效了？）。
MEMS器件是指特征尺寸為1～100μm、利用集成電路加工技術(shù)將機(jī)械和電子元件集成的器件。目前MEMS制造技術(shù)主要包括硅表面微加工、體硅微細(xì)加工、光刻、電鍍、塑料成型和電火花加工等。在過(guò)去十年中，這個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)，技術(shù)進(jìn)步的速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們對(duì)所涉及物理學(xué)的理解。以硅加工工藝為代表的一大批新型的加工技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了應(yīng)用和推廣，特征尺寸小于100μm的各種各樣的器件先后問(wèn)世，如靜電的、磁的、電磁的、氣動(dòng)的和熱驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、閥、齒輪、懸臂、振動(dòng)膜和夾具等，廣泛應(yīng)用于測(cè)量壓力、溫度、流體、速率、聲音以及化學(xué)成分等；它們不僅是作為傳感器和執(zhí)行器，還作為復(fù)雜系統(tǒng)的重要組成部分，例如芯片實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人、微發(fā)動(dòng)機(jī)以及微泵等。備受關(guān)注的片上分析系統(tǒng)有望使生物和化學(xué)分析的自動(dòng)化程度與計(jì)算機(jī)相當(dāng)。全球投入微米和納米技術(shù)研究的資金從1997年的432億美元增長(zhǎng)至2002年的22億美元，大約增長(zhǎng)了5倍。2004年，美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃的預(yù)算接近10億美元，全球的研發(fā)投資超過(guò)35億美元。據(jù)估計(jì)，在10～15年內(nèi)，微米技術(shù)和納米技術(shù)將在每年的材料市場(chǎng)占3400億美元，電子市場(chǎng)占3000億美元，藥品市場(chǎng)占1800億美元。
MEMS系列圖書(shū)有三本，涵蓋了微機(jī)電系統(tǒng)的各方面，或者更廣泛地說(shuō)，它涉及機(jī)電小型化的藝術(shù)和科學(xué)的幾個(gè)方面。對(duì)MEMS設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，以及它們使用的材料、運(yùn)輸現(xiàn)象和操作的工作機(jī)理都進(jìn)行了討論。本書(shū)包含了微機(jī)電系統(tǒng)的電氣、結(jié)構(gòu)、流體、傳輸和控制方面的章節(jié)。其他章節(jié)涵蓋了微型器件在各領(lǐng)域已有的和潛在的應(yīng)用，包括儀器儀表和分布式控制。最新的微尺度流體力學(xué)、晶格玻爾茲曼模擬、以聚合物為基礎(chǔ)的傳感器和執(zhí)行器、診斷工具、微執(zhí)行器、電動(dòng)非線性器件和分子自組裝領(lǐng)域的章節(jié)都包含在這套三本書(shū)構(gòu)成的MEMS系列圖書(shū)的第二本中。MEMS：Introduction and Fundamentals共16章，介紹了相關(guān)背景和物理方面的信息；MEMS：Design and Fabrication共14章，討論了微型器件的設(shè)計(jì)和制造；MEMS：Applications共15章，回顧了一些微傳感器和微執(zhí)行器的應(yīng)用。
這套書(shū)共45章，都是由這個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域中全球最權(quán)威的專家撰寫(xiě)的。這71位撰稿人來(lái)自加拿大、中國(guó)、印度、以色列、意大利、韓國(guó)、瑞典和美國(guó)，并分布于學(xué)術(shù)界、政府和工業(yè)界。在本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那疤嵯拢緯?shū)的內(nèi)容對(duì)具有工程學(xué)或科學(xué)背景的讀者具有很強(qiáng)的可讀性。由于有多位撰稿人參與編寫(xiě)，書(shū)中各章節(jié)在長(zhǎng)度、深度、廣度和風(fēng)格上難免存在差異。這些書(shū)作為參考對(duì)于本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家和工程師或者剛剛開(kāi)始從事電子機(jī)械小型化藝術(shù)和科學(xué)的研究人員以及研究生將會(huì)是非常有用的。
主編非常感謝所有撰稿人的奉獻(xiàn)精神、努力以及無(wú)私慷慨地奉獻(xiàn)他們的時(shí)間，沒(méi)有物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)，只有希望他們的辛勤工作可能有一天給別人的生活帶來(lái)某些變化。同時(shí)也要感謝Taylor & Francis集團(tuán)的Cindy Renee Carelli（采集編輯）、Jessica Vakili（生產(chǎn)協(xié)調(diào)）、N. S. Pandian和Macmillan India有限公司編輯團(tuán)隊(duì)的其他成員，Mimi Williams和Tao Woolfe（項(xiàng)目編輯），他們的工作熱情和努力感染著每一個(gè)人。
Mohamed Gad-el-Hak，1966年于艾因·夏姆斯大學(xué)（埃及）獲得了他的學(xué)士學(xué)位（成績(jī)優(yōu)異），1973年從約翰·霍普金斯大學(xué)獲得他的流體力學(xué)博士學(xué)位，在那里他與Stanley Corrsin教授一起工作。Gad-el-Hak此后在南加州大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、圣母大學(xué)、格勒諾布爾國(guó)立理工學(xué)院、普瓦捷大學(xué)、埃爾朗根-紐倫堡的弗里德里希-亞歷山大大學(xué)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)和柏林工業(yè)大學(xué)進(jìn)行過(guò)教學(xué)和研究活動(dòng)，并在美國(guó)和海外研討會(huì)廣泛地演講。Gad-el-Hak博士目前是位于里士滿的弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的伊內(nèi)茲考迪爾教授和機(jī)械工程系的首席教授。在被圣母大學(xué)任命為航空航天和機(jī)械工程系教授之前，Gad-el-Hak是華盛頓州西雅圖一個(gè)流量研究公司的高級(jí)研究科學(xué)家和項(xiàng)目經(jīng)理，在那里他管理各種空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)研究項(xiàng)目。
Gad-el-Hak教授由于開(kāi)發(fā)出幾個(gè)新的湍流診斷工具而聞名世界，其中包括激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)流體的可視化；發(fā)現(xiàn)了通過(guò)不穩(wěn)定的周?chē)搅鲗訉?shí)現(xiàn)湍流區(qū)快速增長(zhǎng)的高效機(jī)制；開(kāi)創(chuàng)性地進(jìn)行了有關(guān)湍流邊界層的流體與柔性表面相互作用的實(shí)驗(yàn)；引入目標(biāo)控制概念，實(shí)現(xiàn)了壁面邊界流動(dòng)的阻力減小、升力增強(qiáng)和混合增強(qiáng)；以及開(kāi)發(fā)出一種新型的黏性泵以適合微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的應(yīng)用。Gad-el-Hak于1994年發(fā)表的湍流邊界層Reynolds數(shù)效應(yīng)工作是該主題范式轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。他于1999年發(fā)表的微型器件流體力學(xué)的論文為該新興領(lǐng)域建立了堅(jiān)實(shí)的物理根基，是20世紀(jì)90年代被引用多的文章之一。
Gad-el-Hak擁有兩項(xiàng)專利：一個(gè)是飛機(jī)和潛水器的減阻方法，另外一個(gè)是用于三角翼的上升控制裝置。Gad-el-Hak博士發(fā)表了超過(guò)450篇文章，撰寫(xiě)/編輯了14本書(shū)和會(huì)議文集，在各向同性湍流、邊界流動(dòng)、分層流動(dòng)、流體-結(jié)構(gòu)相互作用、柔性膜、非穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)、生物流動(dòng)、非Newtonian流體、硬件和軟計(jì)算包括遺傳算法、流量控制以及微機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域做了250多個(gè)邀請(qǐng)報(bào)告。
Gad-el-Hak的論文已經(jīng)在技術(shù)文獻(xiàn)中被引用超過(guò)1000次。他是Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management的撰稿人，是Frontiers in Experimental Fluid Mechanics、Advances in Fluid Mechanics Measurements、Flow Control: Fundamentals and Practices, The MEMS Handbook, Transition and Turbulence Control的編輯。
Gad-el-Hak教授是美國(guó)力學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士和終生成員、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)航空航天研究所助理會(huì)士以及歐洲力學(xué)會(huì)的會(huì)員。近，他被推選為T(mén)au Beta Pi的杰出工程師，Sigma Gamma Tau和Pi Tau Sigma的榮譽(yù)會(huì)員，以及Sigma Xi的自由會(huì)員。1988～1991年，Gad-el-Hak博士擔(dān)任了AIAA雜志的副主編。他目前擔(dān)任e-MicroNanocom主編，是Applied Mechanics Reviews和e-Fluids的副主編，以及Springer-Verlag的Lecture Notes in Engineering和Lecture Notes in Physics，McGraw-Hill的Year Book of Science and Technology和CRC出版社的Mechanical Engineering Series的特約編輯。
Gad-el-Hak博士擔(dān)任了埃及、法國(guó)、德國(guó)、意大利、波蘭、新加坡、瑞典、英國(guó)、美國(guó)政府、聯(lián)合國(guó)以及眾多工業(yè)組織的顧問(wèn)。Gad-el-Hak教授一直是美國(guó)國(guó)防部、能源部、航天局和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)幾個(gè)咨詢小組的成員。在1991/1992學(xué)年，他在法國(guó)格勒諾布爾法蘭西機(jī)械學(xué)院任客座教授。在1993年、1994年和1997年的夏天， Gad-el-Hak博士分別在羅德島新港海軍水下作戰(zhàn)中心作為杰出教授研究員，在法國(guó)普瓦捷大學(xué)作為訪問(wèn)教授，在德國(guó)德累斯頓的Forschungszentrum Rossendorf作為訪問(wèn)科學(xué)家。1998年， Gad-el-Hak教授被評(píng)為第十四屆ASME弗里曼學(xué)者。1999年，Gad-el-Hak獲得了著名的亞歷山大·馮·洪堡獎(jiǎng)——德國(guó)為美國(guó)所有領(lǐng)域的資深科學(xué)家和學(xué)者頒發(fā)的高科研獎(jiǎng)——以及日本政府為外國(guó)學(xué)者頒發(fā)的研究獎(jiǎng)。2002年，Gad-el-Hak被評(píng)為ASME杰出講師，并入選約翰·霍普金斯大學(xué)學(xué)者協(xié)會(huì)。
譯叢序
譯者序
前言
主編
撰稿人
第1章緒論1
參考文獻(xiàn)4
第2章微機(jī)械器件的尺度6
2.1簡(jiǎn)介6
2.2對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖7
2.3機(jī)械系統(tǒng)的尺度8
參考文獻(xiàn)13
第3章MEMS常用材料的力學(xué)性能14
3.1簡(jiǎn)介14
3.2力學(xué)性能的定義15
3.3測(cè)試方法17
3.4力學(xué)性能參數(shù)27
3.5初始設(shè)計(jì)值34
致謝35
參考文獻(xiàn)35
第4章流體物理學(xué)44
4.1簡(jiǎn)介44
4.2流體物理學(xué)45
4.3流體建模46
4.4納維-斯托克斯方程49
4.5可壓縮性51
4.6邊界條件54
4.7基于分子的模型59
4.8液態(tài)流體64
4.9表面現(xiàn)象69
4.10結(jié)束語(yǔ)72
參考文獻(xiàn)73
第5章MEMS綜合仿真：流動(dòng)-結(jié)構(gòu)-熱場(chǎng)-電場(chǎng)耦合77
5.1簡(jiǎn)介78
5.2電路-器件耦合仿真82
5.3模擬器概述83
5.4電路-微流體器件仿真89
5.5集成模擬方法示范93
5.6小結(jié)與討論95
致謝95
參考文獻(xiàn)95
第6章基于分子的微流體仿真模型99
6.1簡(jiǎn)介99
6.2氣體流動(dòng)100
6.3液體和稠密氣體的流動(dòng)116
6.4小結(jié)118
參考文獻(xiàn)119
第7章小尺度內(nèi)部氣流的流體動(dòng)力學(xué)124
7.1簡(jiǎn)介124
7.2流動(dòng)物理學(xué)125
7.3模擬方法的發(fā)展138
7.4討論143
致謝143
參考文獻(xiàn)144
第8章微器件流體的伯內(nèi)特模擬148
8.1簡(jiǎn)介148
8.2伯內(nèi)特方程的歷史151
8.3控制方程153
8.4壁-邊界條件157
8.5伯內(nèi)特方程的線性化穩(wěn)定性分析157
8.6數(shù)值方法159
8.7數(shù)值模擬159
8.8小結(jié)169
參考文獻(xiàn)169
第9章微通道中滑移流動(dòng)的晶格玻爾茲曼模擬173
9.1簡(jiǎn)介173
9.2三維可壓縮黏性MHD方程174
9.3LBGK方程和MHD方程的平衡粒子分布函數(shù)f0i 175
9.4LBGK方程和磁感應(yīng)方程的平衡粒子分布函數(shù)g(0)i175
9.5粒子分布函數(shù)的耦合LBGK方程解176
9.6有/無(wú)磁場(chǎng)的微通道壓力驅(qū)動(dòng)滑移流體176
9.7小結(jié)180
致謝180
參考文獻(xiàn)180
第10章微通道中的液體流動(dòng)182
10.1簡(jiǎn)介183
10.2電動(dòng)學(xué)背景知識(shí)197
10.3小結(jié)213
參考文獻(xiàn)214
第11章MEMS的潤(rùn)滑223
11.1簡(jiǎn)介224
11.2基本尺度問(wèn)題224
11.3潤(rùn)滑的控制方程226
11.4庫(kù)愛(ài)特流阻尼227
11.5擠壓薄膜阻尼228
11.6轉(zhuǎn)動(dòng)器件的潤(rùn)滑230
11.7MEMS軸承幾何形狀的限制231
11.8推力軸承232
11.9滑動(dòng)軸承234
11.10制造問(wèn)題239
11.11摩擦和磨損241
11.12小結(jié)242
致謝242
參考文獻(xiàn)243
第12章液體薄膜物理學(xué)245
12.1簡(jiǎn)介245
12.2固體表面液態(tài)膜的演化方程252
12.3等溫薄膜256
12.4熱效應(yīng)269
12.5相變：汽化和凝結(jié)275
12.6結(jié)束語(yǔ)281
致謝282
參考文獻(xiàn)282
第13章微通道中氣泡/液滴的輸運(yùn)289
13.1簡(jiǎn)介289
13.2基礎(chǔ)290
13.3壓力驅(qū)動(dòng)氣泡/液滴輸運(yùn)的布雷瑟頓問(wèn)題291
13.4電動(dòng)流氣泡輸運(yùn)295
13.5未來(lái)方向297
致謝298
參考文獻(xiàn)298
第14章控制理論基礎(chǔ)300
14.1簡(jiǎn)介300
14.2經(jīng)典線性控制301
14.3“現(xiàn)代”控制311
14.4非線性控制316
14.5結(jié)束語(yǔ)322
參考文獻(xiàn)322
第15章基于模型的分布式架構(gòu)流動(dòng)控制325
15.1簡(jiǎn)介326
15.2線性化：小街區(qū)的生活327
15.3線性穩(wěn)定：向現(xiàn)代線性控制理論借力329
15.4分散：大規(guī)模列陣設(shè)計(jì)336
15.5局域化：非物理假設(shè)釋放338
15.6補(bǔ)償器縮減：消除不必要的復(fù)雜性340
15.7推論：非線性系統(tǒng)的線性控制342
15.8泛化：擴(kuò)展到空間發(fā)展流動(dòng)344
15.9非線性優(yōu)化：完全納維-斯托克斯方程的局域解346
15.10魯棒性：Murphy定律的吸引力353
15.11統(tǒng)一：合成通用框架354
15.12分解：基于仿真的系統(tǒng)建模355
15.13全局穩(wěn)定：守恒增強(qiáng)穩(wěn)定性355
15.14適用：考慮不斷變化的環(huán)境356
15.15性能限制：確定理想控制目標(biāo)357
15.16實(shí)施：評(píng)估工程化折中357
15.17討論：對(duì)話的共同語(yǔ)言358
15.18未來(lái)：文藝復(fù)興359
致謝361
參考文獻(xiàn)361
第16章控制中的軟計(jì)算364
16.1簡(jiǎn)介364
16.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)365
16.3遺傳算法373
16.4模糊邏輯與模糊控制377
16.5小結(jié)386
致謝386
參考文獻(xiàn)386
附錄391
附錄一國(guó)際單位制詞頭（SI詞頭）391
附錄二本書(shū)縮略語(yǔ)391
書(shū)單推薦
