微装配与MEMS仿真导论 - 中国高校教材图书网
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书名： |
微装配与MEMS仿真导论
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| ISBN： | 978-7-5606-2488-4 |
条码： | |
| 作者： |
康晓洋 田鸿昌 李德昌
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥28.00
折扣价：￥26.60
折扣：0.95
节省了1.4元
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字数： |
406千字
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| 出版社： |
西安电子科技大学出版社 |
页数： |
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| 发行编号： | 2780001-1 |
每包册数： |
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| 出版日期： |
2011-04-01 |
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| 内容简介： |
本书较为细致地叙述了微装配的基本过程和MEMS建模仿真的一些常用方法，对于MEMS基本知识和微加工工艺部分，作了简要叙述。 本书主要介绍微装配技术与微装配系统、MEMS系统建模与库的建立和宏建模的若干种常用方法，同时，对虚拟化实现的相关技术和实现方案给出了概念性描述。
全书共9章，内容包括MEMS基本情况介绍、MEMS工艺及器件特性、微装配技术与微装配系统、微装配关键技术、微控制理论与装配系统模型、系统建模、宏模型的建立、虚拟化实现、MEMSCAD比较。
本书适用于从事MEMS研究的科研人员和教育工作者以及对MEMS相关技术感兴趣的大学生与研究生。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
第一章 MEMS基本情况介绍 1
1.1 概述 1
1.2 单晶硅的材料特性 2
1.3 薄膜材料的力学特性 4
1.4 微执行器的尺度效应 5
1.5 微机器人的尺度效应 6
第二章 MEMS工艺及器件特性 7
2.1 MEMS材料工艺特性 7
2.1.1 硅微加工技术 8
2.1.2 LIGA工艺 8
2.1.3 3IH工艺 9
2.2 MEMS器件结构功能 9
2.2.1 微传感器 9
2.2.2 微执行器 15
2.2.3 新型MEMS器件 22
2.3 MEMS系统产品简介 23
第三章 微装配技术与微装配系统 24
3.1 微装配基本过程方法 25
3.1.1 微/纳米操作的特点 26
3.1.2 典型微/纳米操作技术及其应用 26
3.1.3 先进灵巧装配技术 29
3.2 微装配自动化技术 29
3.2.1 微装配的机器人技术 30
3.2.2 手爪及操作(微夹持) 35
3.2.3 微型零件胶粘接的微装配技术 36
3.2.4 显微视觉伺服系统 39
3.2.5 小结与展望 41
3.3 微装配系统简述 41
3.3.1 微装配系统的特点及功能分析 42
3.3.2 智能化微装配 43
3.4 微装配系统设计 44
3.4.1 任务功能描述 45
3.4.2 微装配系统设计 45
3.4.3 微装配系统的设计思路 46
3.4.4 微装配系统关键技术的研制 46
3.5 成型系统介绍 48
3.5.1 一种新型微装配系统样机 49
3.5.2 日本东京大学的一个微装配系统 50
3.5.3 基于微机器人的微装配站 50
3.5.4 可宏/微精密定位的微操作机器人 51
3.6 压电驱动技术和自装配技术 51
3.6.1 一种适用于微操作的驱动技术(装配是若干微操作) 51
3.6.2 自装配技术 54
3.6.3 标准化方案 58
第四章 微装配关键技术 71
4.1 运动平台 71
4.1.1 磁悬浮平台 71
4.1.2 进给平台 75
4.1.3 平台隔振系统 77
4.2 显微视觉系统 96
4.2.1 显微视觉系统研究现状 96
4.2.2 显微视觉系统的关键问题 98
4.2.3 微操作机器人的显微视觉自标定方法 100
4.2.4 显微视觉自动聚焦系统 104
4.2.5 微操作机器人深度信息获取 107
第五章 微控制理论与装配系统模型 112
5.1 微控制的目的 112
5.1.1 精密定位原理 112
5.1.2 精密定位的神经网络控制 113
5.2 微装配的关键系统——微控制系统 114
5.2.1 微控制方式 114
5.2.2 微装配中的微控制 117
5.3 微控制器设计 118
5.3.1 串联PID控制器综合 118
5.3.2 鲁棒控制器综合 119
5.3.3 视觉伺服控制系统 120
5.4 装配模型 122
5.4.1 装配模型概述 122
5.4.2 装配模型建模 124
5.4.3 装配模型与装配顺序 125
5.5 宏动、 微动机构模型的建立 126
5.5.1 宏动机构模型的建立 126
5.5.2 微动机构模型的建立 128
5.6 信息模型建模 129
5.6.1 信息模型建模概述 129
5.6.2 面向装配序列规划的信息建模 132
5.6.3 敏捷化开发环境下产品装配模型的信息组成 134
5.7 微测试概述 135
5.7.1 微结构特性的测试要求与方法 136
5.7.2 微几何量检测方法 138
5.7.3 微材料特性检测 143
第六章 系统建模 145
6.1 系统级仿真建模简述 145
6.2 MEMS库的建立 149
6.2.1 部件和部件库的概念 150
6.2.2 IP库的建立 155
6.2.3 键合图库的建立 160
第七章 宏模型的建立 164
7.1 宏模型的概念 164
7.1.1 准静态宏模型 165
7.1.2 动态宏模型 165
7.2 建立宏模型的方法 166
7.2.1 节点分析方法 167
7.2.2 信号流模型(自由度缩聚的方法) 173
7.2.3 键合图理论建立宏模型 179
7.2.4 其他建模方法 185
7.3 含能量域耦合问题的宏模型 193
7.3.1 加速松弛法及其在静电力耦合问题仿真分析中的应用 195
7.3.2 耦合宏模型举例 198
第八章 虚拟化实现 205
8.1 虚拟现实技术简述 205
8.1.1 虚拟现实技术的定义 205
8.1.2 虚拟现实技术的特征 206
8.1.3 虚拟现实技术的分类 206
8.1.4 虚拟现实的关键技术 207
8.2 MEMS虚拟化技术 207
8.2.1 虚拟工艺库 207
8.2.2 虚拟组装 211
8.2.3 虚拟运行 214
8.3 虚拟装配概述 218
8.3.1 虚拟装配的定义 219
8.3.2 虚拟装配技术的主要功能 219
8.4 虚拟装配的软硬件配置 220
8.4.1 软件配置 221
8.4.2 硬件配置 221
8.4.3 虚拟装配思路的产生和发展 223
8.4.4 虚拟装配的关键技术 224
8.5 虚拟装配关键技术的实现 225
8.5.1 虚拟装配建模技术 225
8.5.2 装配干涉及碰撞检测 226
8.5.3 配合特征的识别及装配约束的建立 236
8.5.4 受约束运动的实现 238
第九章 MEMSCAD比较 240
9.1 MEMSCAD的研究概况 240
9.1.1 MEMSCAD的特点及其设计原则 241
9.1.2 MEMSCAD系统的结构 242
9.2 MEMSCAD的关键技术 245
9.2.1 数值计算方法研究和多能量域耦合仿真 245
9.2.2 宏模型建模 247
9.2.3 版图综合及加工工艺的生成和优化 247
9.3 现今MEMSCAD的不足及困难 249
9.4 MEMSCAD实现方案 250
9.4.1 类型（1） 252
9.4.2 类型（2） 253
9.4.3 类型（3） 253
9.4.4 类型（4） 254
9.4.5 微机电系统CAD设计的过程及展望 255
参考文献 257
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| 精彩片段： |
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| 书 评： |
当今的微机电系统（MicroElectroMechanical System，简称MEMS）产业重点不断从单个的微机电系统器件向微机电系统产品转移，而且其中的机械、热、电、静电及电磁间耦合作用与机理日趋复杂，一些传统的工程设计方法(如经验设计法等)无法满足微系统的设计要求。 对微机电系统产品开发而言，这种反复尝试的设计方法、长设计周期以及微系统原型机的高昂费用导致了一种效率极为低下的、不切实际的情况。 目前，针对微机电系统的现代设计理论与方法已日益受到微机电系统CAD厂商以及高等院校的相关研究机构的重视，但对微机电系统大规模生产阶段的自动装配系统的研究较少。
微装配作为MEMS产业化过程中的一项重要技术理应受到重视。 在研究的过程中，我们查阅了大量国内外各方面的资料，发现迄今为止还没有一本书来系统讲解微装配的过程，于是我们项目组萌生了编写一本介绍微装配的书籍，希望对MEMS感兴趣的人在获取这方面知识的时候能够比我们来的容易些。
在现代产品设计过程中，装配技术作为检验设计质量的一个重要环节显得越来越重要。 而这个过程通常是用各种CAD设计软件来实现的，于是又出现了仿真的问题。
具体到MEMS，微装配与仿真更是一个有机的整体。 在设计MEMS时，要检验MEMS的可装配性，于是就要把MEMS系统进行建模仿真。 因此，有必要将两者联合起来进行论述。
“国家大学生创新性实验计划”作为教育部、财政部高等学校本科教学质量与教学改革工程的重要组成部分，是培养高素质创新型人才的重要举措之一。 该计划的实施，旨在培养大学生从事科学研究和探索未知的兴趣，从而激发大学生的创新思维和创新意识，锻炼大学生思考问题、解决问题的能力，培养其从事科学研究和创造发明的素质。
2007年，教育部批准了首批60所高校实施该计划项目，西安电子科技大学作为实施该计划项目的高校之一，已经有40个项目被正式列入“国家大学生创新性实验计划”，“MEMS自动装配系统的虚拟化研究”项目有幸成为其中之一。
本书较为细致地叙述了微装配的基本过程和MEMS建模仿真的一些常用方法，主要介绍了微装配技术与微装配系统、MEMS系统建模与库的建立和宏建模的若干种常用方法，并对虚拟化实现
的相关技术和实现方案给出了概念性描述。 对于MEMS基本知识和微加工工艺部分， 因已有较多相关的各类文献资料，本书只作简要叙述。
第一章介绍了MEMS的基本概念和各项特性，使读者对微观世界有一个初步的认识。 通过学习本章，首先从微机电系统的定义（包括基本概念、研究内容和应用方向等方面）了解MEMS概况，然后从微加工材料到微器件再到微系统各层级了解所涉及到的材料、力学、尺寸效应等特性，即微观操作相异于宏观世界的主要
原因及核心内容。 本章的学习为了使读者逐渐进入微观世界，为以后各章的学习和对微系统更深层的研究建立一个基础。
第二章把MEMS的系统级划分为工艺级、物理级、器件级和系统级四个层级，四个层级分别交叉对应MEMS的材料特性、结构特性和功能特性。 MEMS加工工艺部分扼要地介绍了常用的三大类微加工方式，包括各工艺的基本技术及特点。 在器件结构功能部分，将现有MEMS器件分为微传感器与微执行器两部分，分别较为具体地描述了两部分所包含的各具体器件结构和功能。
第三章作为全书重点之一，详细介绍了微装配技术和微装配系统的基本概念及相关技术问题。
(1) 在微装配技术部分，先叙述了微装配技术的国内外研究概况、技术特点、典型技术应用等内容，然后具体讲述了微装配自动化的几项关键技术。 装配自动化作为装配技术的发展趋势，因其自身优点，非常适合应用到微装配领域，形成微装配自动化技术。其必然成为以后微装配研究发展的趋势。
(2) 微装配系统部分将各微装配技术集成化，形成可控制系统，再发展到以后
的自动化及智能化微装配系统。 该部分对微装配系统的特点、功能、智能化技术
和整体设计都作了详细阐述，又列举了一些微装配系统的系统设计与实现方案。
(3) 压电驱动部分详细介绍了用于微操作的压电驱动技术和应用多种驱动力的自装配技术。 压电陶瓷相关技术和自装配技术分别作为材料科学和生物化学工程的新型研究热点，均可将其中的优势技术应用到微装配领域。
第四章介绍微装配关键技术，包括运动平台和显微视觉系统。 本章内容可细分为磁悬浮平台、进给平台、平台隔振系统等运动平台； 显微视觉系统、显微视觉系统研究现状、显微视觉系
统的关键问题、微操作机器人的显微视觉自标定方法、显微视觉自动聚焦系统、微操作机器人深度信息提取等几个专题介绍了微装配发展的重点及难点。
仿真的第一步是建模，微控制理论与装配系统模型则是建模的基础。 第五章从微控制的目的、微控制器设计、微动机构模型的建立、信息模型建模等方面介绍了装配系统建模的一般过程。
第六章与第七章共同组成全书的重点部分——MEMS仿真。
第六章主要内容包括面向MEMSCAD系统级仿真的建模技术和MEMS库的建立。
(1) 由于微观系统远异于宏观经验系统，MEMSCAD的结构和功能也与传统CAD软件相差甚多，集中体现在MEMSCAD的多方面自身特点，从而便产生了MEMSCAD特殊的体系结构，结构当中涉及到多项关键技术，也存在不少须解决的问题。
(2) 系统级仿真已成为MEMSCAD仿真的核心技术问题，其总体被分为多个步骤， 涉及到数学模型建立、物理能域耦合计算和基于能量耦合的宏模型建立等技术难题，至今没有形成标准统一的解决方案。
(3) MEMS库的建立应用设计可重用思想，将设计过程大大简化。 动态部件库、IP库和键合图库的建立可不断积累设计经验、加速设计过程，从而可进一步推动MEMS的标准化和大规模产业化发展。
第七章承接第六章叙述的MEMS系统级仿真的关键技术，详细介绍了建立基于能量的宏模型的相关问题。 器件级到系统级之间的接口常称为宏建模，是对一般模型的再次提取，对于实现复杂器件结构和接口电路的混合信号仿真具有重要意义。 宏模型是一般模型的抽象模型，是实现系统级仿真的核心。 常见的宏模型建立方法有节点分析(NODAS)方法、信号流模型法(也称黑箱模型法)和应用键合图理论建立宏模型三个大类，此外，还介绍了其他两种应用不同数学思路的建模方法。 几种方法各具优缺点，分别适用于不同的场合，这是长期以来一直没有寻找到统一认可建模方案的结果，同时也是原因。 针对静电力耦合的具体问题，
本章还介绍了用于能域耦合仿真分析的加速松弛方法。
第八章介绍了虚拟现实技术，它作为仿真技术的发展方向，因其所具有的3I特征(即沉浸感(Immersive)、交互性(Interaction)、想象性(Imaginative))，逐渐为人们所熟知。 基于虚拟现实的多项技术，如虚拟工艺库建立、虚拟组装与虚拟运行等，均可作为虚拟化技术应用于MEMS设计与分析的仿真实现过程中。 虚拟现实技术强烈的沉浸感和交互性可拉近生活在宏观世界的人们通向微观世界的距离。 通过本章的学习，读者会对MEMS虚拟化相关的各项技术有一个概念性的认识。
第九章分析了现有
MEMSCAD系统，能使读者对MEMSCAD有一个系统的了解。 MEMSCAD即MEMS Computer Aided Design(MEMS计算机辅助设计)，是MEMS设计技术的一个重要分支。 随着MEMS技术的快速发展，在MEMS领域实现电子设计自动化(EDA)的需求变得越来越迫切。
本书是在项目组紧密的协作下完成的，首先感谢每个组员，特别是杜刚、赵伟为了这本书的编写与团队合作付出的艰辛劳动，没有大家的共同努力就不可能完成这本书。 其次，要特别感谢我们的导师李德昌教授，他不仅在学术上给予了我们很多帮助，而且在本书的具体编写过程中给我们提出了很多指导性的意见和建议。
本书的出版得到了西安电子科技大学出版社的大力支持，特别是出版社陈宇光老师对本书的编著给予了很多帮助，在此深表谢意！
由于作者水平所限，书中难免有不妥之处，敬请各位读者指正。
国家大学生创新性实验计划
MEMS自动装配系统的虚拟化研究项目组
2009年4月
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