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内容简介

　　相对于人们对涉及的非传统物理的理解，MEMS技术发展得非常快。只有深刻掌握其基本原理，才能促进MEMS技术的提高，才有可能进行微机电系统的设计和制造，并让其在现有的和设想的各个领域广泛应用。本书是MEMS手册中的基础部分，提供有关MEMS理论和技术基础的文献和参考。书中除了介绍MEMS在微小尺度方面的物理学、流体力学、力学、光学、电、润滑，还包含了控制理论、分布式控制及软计算的内容。这些内容涉及未来应用的各种重要基础知识，将其应用于微传感器和微执行器能够实现节约能源的有效控制并提高人工装置性能。本书可供MEMS技术人员和设计人员使用，也可供MEMS专业的高年级本科生和研究生参考。

作者简介

　　Mohamed Gad-el-Hak，1966年于艾因·夏姆斯大学（埃及）获得了他的学士学位（成绩优异），1973年从约翰·霍普金斯大学获得他的流体力学博士学位，在那里他与Stanley Corrsin教授一起工作。Gad-el-Hak此后在南加州大学、弗吉尼亚大学、圣母大学、格勒诺布尔国立理工学院、普瓦捷大学、埃尔朗根-纽伦堡的弗里德里希-亚历山大大学、慕尼黑工业大学和柏林工业大学进行过教学和研究活动，并在美国和海外研讨会广泛地演讲。Gad-el-Hak博士目前是位于里士满的弗吉尼亚联邦大学生物医学工程系的伊内兹考迪尔教授和机械工程系的首席教授。在被圣母大学任命为航空航天和机械工程系教授之前，Gad-el-Hak是华盛顿州西雅图一个流量研究公司的高级研究科学家和项目经理，在那里他管理各种空气动力学和流体动力学研究项目。
　　Gad-el-Hak教授由于开发出几个新的湍流诊断工具而闻名世界，其中包括激光诱导荧光（LIF）技术实现流体的可视化；发现了通过不稳定的周围平流层实现湍流区快速增长的高效机制；开创性地进行了有关湍流边界层的流体与柔性表面相互作用的实验；引入目标控制概念，实现了壁面边界流动的阻力减小、升力增强和混合增强；以及开发出一种新型的黏性泵以适合微机电系统（MEMS）的应用。Gad-el-Hak于1994年发表的湍流边界层Reynolds数效应工作是该主题范式转变的标志。他于1999年发表的微型器件流体力学的论文为该新兴领域建立了坚实的物理根基，是20世纪90年代被引用多的文章之一。
　　Gad-el-Hak拥有两项专利：一个是飞机和潜水器的减阻方法，另外一个是用于三角翼的上升控制装置。Gad-el-Hak博士发表了超过450篇文章，撰写/编辑了14本书和会议文集，在各向同性湍流、边界流动、分层流动、流体-结构相互作用、柔性膜、非稳态空气动力学、生物流动、非Newtonian流体、硬件和软计算包括遗传算法、流量控制以及微机电系统的基础和应用研究领域做了250多个邀请报告。
　　Gad-el-Hak的论文已经在技术文献中被引用超过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的编辑。
　　Gad-el-Hak教授是美国力学会会士、美国物理学会会士和终生成员、美国机械工程师学会会士、美国航空航天研究所助理会士以及欧洲力学会的会员。近，他被推选为Tau Beta Pi的杰出工程师，Sigma Gamma Tau和Pi Tau Sigma的荣誉会员，以及Sigma Xi的自由会员。1988～1991年，Gad-el-Hak博士担任了AIAA杂志的副主编。他目前担任e-MicroNano�眂om主编，是Applied Mechanics Reviews和e-Fluids的副主编，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的特约编辑。
　　Gad-el-Hak博士担任了埃及、法国、德国、意大利、波兰、新加坡、瑞典、英国、美国政府、联合国以及众多工业组织的顾问。Gad-el-Hak教授一直是美国国防部、能源部、航天局和国家科学基金会几个咨询小组的成员。在1991/1992学年，他在法国格勒诺布尔法兰西机械学院任客座教授。在1993年、1994年和1997年的夏天， Gad-el-Hak博士分别在罗德岛新港海军水下作战中心作为杰出教授研究员，在法国普瓦捷大学作为访问教授，在德国德累斯顿的Forschungszentrum Rossendorf作为访问科学家。1998年， Gad-el-Hak教授被评为第十四届ASME弗里曼学者。1999年，Gad-el-Hak获得了著名的亚历山大·冯·洪堡奖——德国为美国所有领域的资深科学家和学者颁发的高科研奖——以及日本政府为外国学者颁发的研究奖。2002年，Gad-el-Hak被评为ASME杰出讲师，并入选约翰·霍普金斯大学学者协会。

内页插图

目录

译丛序
译者序
前言
主编
撰稿人
第1章绪论1
参考文献4
第2章微机械器件的尺度6
2.1简介6
2.2对数坐标图7
2.3机械系统的尺度8
参考文献13
第3章MEMS常用材料的力学性能14
3.1简介14
3.2力学性能的定义15
3.3测试方法17
3.4力学性能参数27
3.5初始设计值34
致谢35
参考文献35
第4章流体物理学44
4.1简介44
4.2流体物理学45
4.3流体建模46
4.4纳维-斯托克斯方程49
4.5可压缩性51
4.6边界条件54
4.7基于分子的模型59
4.8液态流体64
4.9表面现象69
4.10结束语72
参考文献73
第5章MEMS综合仿真：流动-结构-热场-电场耦合77
5.1简介78
5.2电路-器件耦合仿真82
5.3模拟器概述83
5.4电路-微流体器件仿真89
5.5集成模拟方法示范93
5.6小结与讨论95
致谢95
参考文献95
第6章基于分子的微流体仿真模型99
6.1简介99
6.2气体流动100
6.3液体和稠密气体的流动116
6.4小结118
参考文献119
第7章小尺度内部气流的流体动力学124
7.1简介124
7.2流动物理学125
7.3模拟方法的发展138
7.4讨论143
致谢143
参考文献144
第8章微器件流体的伯内特模拟148
8.1简介148
8.2伯内特方程的历史151
8.3控制方程153
8.4壁-边界条件157
8.5伯内特方程的线性化稳定性分析157
8.6数值方法159
8.7数值模拟159
8.8小结169
参考文献169
第9章微通道中滑移流动的晶格玻尔兹曼模拟173
9.1简介173
9.2三维可压缩黏性MHD方程174
9.3LBGK方程和MHD方程的平衡粒子分布函数f0i 175
9.4LBGK方程和磁感应方程的平衡粒子分布函数g(0)i175
9.5粒子分布函数的耦合LBGK方程解176
9.6有/无磁场的微通道压力驱动滑移流体176
9.7小结180
致谢180
参考文献180
第10章微通道中的液体流动182
10.1简介183
10.2电动学背景知识197
10.3小结213
参考文献214
第11章MEMS的润滑223
11.1简介224
11.2基本尺度问题224
11.3润滑的控制方程226
11.4库爱特流阻尼227
11.5挤压薄膜阻尼228
11.6转动器件的润滑230
11.7MEMS轴承几何形状的限制231
11.8推力轴承232
11.9滑动轴承234
11.10制造问题239
11.11摩擦和磨损241
11.12小结242
致谢242
参考文献243
第12章液体薄膜物理学245
12.1简介245
12.2固体表面液态膜的演化方程252
12.3等温薄膜256
12.4热效应269
12.5相变：汽化和凝结275
12.6结束语281
致谢282
参考文献282
第13章微通道中气泡/液滴的输运289
13.1简介289
13.2基础290
13.3压力驱动气泡/液滴输运的布雷瑟顿问题291
13.4电动流气泡输运295
13.5未来方向297
致谢298
参考文献298
第14章控制理论基础300
14.1简介300
14.2经典线性控制301
14.3“现代”控制311
14.4非线性控制316
14.5结束语322
参考文献322
第15章基于模型的分布式架构流动控制325
15.1简介326
15.2线性化：小街区的生活327
15.3线性稳定：向现代线性控制理论借力329
15.4分散：大规模列阵设计336
15.5局域化：非物理假设释放338
15.6补偿器缩减：消除不必要的复杂性340
15.7推论：非线性系统的线性控制342
15.8泛化：扩展到空间发展流动344
15.9非线性优化：完全纳维-斯托克斯方程的局域解346
15.10鲁棒性：Murphy定律的吸引力353
15.11统一：合成通用框架354
15.12分解：基于仿真的系统建模355
15.13全局稳定：守恒增强稳定性355
15.14适用：考虑不断变化的环境356
15.15性能限制：确定理想控制目标357
15.16实施：评估工程化折中357
15.17讨论：对话的共同语言358
15.18未来：文艺复兴359
致谢361
参考文献361
第16章控制中的软计算364
16.1简介364
16.2人工神经网络365
16.3遗传算法373
16.4模糊逻辑与模糊控制377
16.5小结386
致谢386
参考文献386
附录391
附录一国际单位制词头（SI词头）391
附录二本书缩略语391

前言/序言

　　过了没多大一会儿，我觉得有个什么活的东西在我的左腿上蠕动，轻轻地向前移着，越过我胸脯，几乎到了我的下巴前。我尽力将眼睛往下看，竟发现一个身高不足六英寸、手持弓箭、背负箭袋的人！……侥幸的是我把绳子挣断了，拔出了将我的左臂固定到地上的木钉。我把左臂举到眼前，发现了他们绑缚我的方法。这时我又用力一扯，虽然十分疼痛，但还是将绑我左边头发的绳子扯松了一点，这样我才能稍稍将头转动大约两英寸。……这些人是十分出色的数学家，在皇帝的支持与鼓励下，他们机械学方面的知识也达到了极其完美的程度。这个皇帝以崇尚、保护学术而闻名。这个皇帝有好几台装有轮子的机器，用来搬运树木和其他的一些重物。
　　（《格列佛游记——远航小人国》，乔纳森·斯威夫特，1726）
　　在内华达州的沙漠中，一个实验出现了可怕的失误。纳米粒子云—微型机器人—已经从实验室逃出。这云可以自我维持和自我复制。它很聪明并且可以从经验中学习。对于所有的实际目的，它是活的。
　　它被设置为一个捕食者。它在不断进化，每一小时都变得更加致命。
　　所有摧毁它的企图都已经失败。
　　而我们则是它的猎物。
　　（迈克尔·克莱顿的技术惊悚著作《猎物》，哈珀柯林斯出版社，2002）
　　近三个世纪之余，富有想象力的小说家都在引用上述设想的、有时比我们大很多或比我们小得多的生物的存在性。1959年，物理学家理查德·费曼设想制造出比制造者要小得多的机器。人类自身的尺寸，略微超过1m，恰好位于最小尺寸的亚原子粒子（约10-26m）和可观测的最大尺寸的宇宙范围（约1026m）的正中间。制造工具是人类特有的能力，这种能力将人与地球上的所有其他物种区分开来。在40万年前，古代的智人就雕刻出了符合空气动力学的木制长矛。人制造的东西与他的大小相一致，通常在数量级比自己大或小两个数量级的范围内。我们不停地挑战着时间和空间的极限，乔纳森·斯威夫特(Jonathan Swift,1726)就在他著名的《格利佛游记》中，对世界上常规物理尺度的放大和缩小进行了大胆预测。从宏观上看，公元前2600年，埃及建造的胡夫金字塔高达147m，而1931年竣工的帝国大厦高达449m。在建筑物高度不断创下新的世界纪录的同时，我们人类的设计也在向着另外一个方向努力。一枚硬币的直径一般略大于2cm，从13世纪制表工匠就开始尝试微小型化制作工艺，17世纪显微镜的发明则开辟了直接观察微生物、植物和动物细胞的途径，20世纪后半叶则出现了更小的人造物体，今天集成电路中晶体管在生产中的尺寸达到了0��18μm，而实验室中则接近10nm（实际上在2013年生产中已经达到22nm，但是实验室水平并没有显著提高，是否意味着摩尔定律终于要失效了？）。
　　MEMS器件是指特征尺寸为1～100μm、利用集成电路加工技术将机械和电子元件集成的器件。目前MEMS制造技术主要包括硅表面微加工、体硅微细加工、光刻、电镀、塑料成型和电火花加工等。在过去十年中，这个多学科领域展现了爆炸式的增长，技术进步的速度也远远超过了我们对所涉及物理学的理解。以硅加工工艺为代表的一大批新型的加工技术在世界范围内得到了应用和推广，特征尺寸小于100μm的各种各样的器件先后问世，如静电的、磁的、电磁的、气动的和热驱动的致动器、电动机、阀、齿轮、悬臂、振动膜和夹具等，广泛应用于测量压力、温度、流体、速率、声音以及化学成分等；它们不仅是作为传感器和执行器，还作为复杂系统的重要组成部分，例如芯片实验室、机器人、微发动机以及微泵等。备受关注的片上分析系统有望使生物和化学分析的自动化程度与计算机相当。全球投入微米和纳米技术研究的资金从1997年的4��32亿美元增长至2002年的22亿美元，大约增长了5倍。2004年，美国国家纳米技术计划的预算接近10亿美元，全球的研发投资超过35亿美元。据估计，在10～15年内，微米技术和纳米技术将在每年的材料市场占3400亿美元，电子市场占3000亿美元，药品市场占1800亿美元。
　　MEMS系列图书有三本，涵盖了微机电系统的各方面，或者更广泛地说，它涉及机电小型化的艺术和科学的几个方面。对MEMS设计、制造和应用，以及它们使用的材料、运输现象和操作的工作机理都进行了讨论。本书包含了微机电系统的电气、结构、流体、传输和控制方面的章节。其他章节涵盖了微型器件在各领域已有的和潜在的应用，包括仪器仪表和分布式控制。最新的微尺度流体力学、晶格玻尔兹曼模拟、以聚合物为基础的传感器和执行器、诊断工具、微执行器、电动非线性器件和分子自组装领域的章节都包含在这套三本书构成的MEMS系列图书的第二本中。MEMS：Introduction and Fundamentals共16章，介绍了相关背景和物理方面的信息；MEMS：Design and Fabrication共14章，讨论了微型器件的设计和制造；MEMS：Applications共15章，回顾了一些微传感器和微执行器的应用。
　　这套书共45章，都是由这个多学科领域中全球最权威的专家撰写的。这71位撰稿人来自加拿大、中国、印度、以色列、意大利、韩国、瑞典和美国，并分布于学术界、政府和工业界。在本着严谨的前提下，本书的内容对具有工程学或科学背景的读者具有很强的可读性。由于有多位撰稿人参与编写，书中各章节在长度、深度、广度和风格上难免存在差异。这些书作为参考对于本领域有经验的科学家和工程师或者刚刚开始从事电子机械小型化艺术和科学的研究人员以及研究生将会是非常有用的。
　　主编非常感谢所有撰稿人的奉献精神、努力以及无私慷慨地奉献他们的时间，没有物质奖励，只有希望他们的辛勤工作可能有一天给别人的生活带来某些变化。同时也要感谢Taylor & Francis集团的Cindy Renee Carelli（采集编辑）、Jessica Vakili（生产协调）、N. S. Pandian和Macmillan India有限公司编辑团队的其他成员，Mimi Williams和Tao Woolfe（项目编辑），他们的工作热情和努力感染着每一个人。

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