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第1章 绪论1

1.0 预览1

1.1 MEMS发展史1

1.1.1 从诞生到1990年1

1.1.2 从1990年到2001年3

1.1.3 从2002年到现在7

1.1.4 未来发展趋势8

1.2 MEMS的本质特征9

1.2.1 小型化9

1.2.2 微电子集成10

1.2.3 高精度的并行制造11

1.3 器件：传感器和执行器11

1.3.1 能量域和换能器11

1.3.2 传感器考虑13

1.3.3 传感器噪声及设计复杂性14

1.3.4 执行器考虑15

1.4 总结16

习题16

参考文献19

第2章 微制造导论24

2.0 预览24

2.1 微制造概述24

2.2 常用微制造工艺概述27

2.2.1 光刻28

2.2.2 薄膜沉积29

2.2.3 硅热氧化30

2.2.4 湿法刻蚀30

2.2.5 硅的各向异性刻蚀31

2.2.6 等离子刻蚀和反应离子刻蚀31

2.2.7 掺杂32

2.2.8 圆片划片33

2.2.9 圆片键合33

2.3 微电子制造工艺流程34

2.4 硅基MEMS工艺36

2.5 封装与集成40

2.5.1 集成方法40

2.5.2 密封41

2.6 新材料和新制造工艺41

2.7 工艺选择与工艺设计42

2.7.1 淀积工艺中需要考虑的问题42

2.7.2 刻蚀工艺中需要考虑的问题43

2.7.3 构造工艺流程的理想规则44

2.7.4 构造鲁棒性工艺的规则44

2.8 总结45

习题46

参考文献47

第3章 电学与机械学基本概念51

3.0 预览51

3.1 半导体的电导率51

3.1.1 半导体材料52

3.1.2 载流子浓度的计算52

3.1.3 电导率和电阻率54

3.2 晶面和晶向57

3.3 应力和应变59

3.3.1 内力分析：牛顿运动定律59

3.3.2 应力和应变的定义60

3.3.3 张应力和张应变之间的一般标量关系63

3.3.4 硅和相关薄膜的力学特性64

3.3.5 应力－应变的一般关系66

3.4 简单负载条件下挠性梁的弯曲68

3.4.1 梁的类型68

3.4.2 纯弯曲下的纵向应变69

3.4.3 梁的挠度71

3.4.4 求解弹簧常数71

3.5 扭转变形75

3.6 本征应力76

3.7 动态系统、谐振频率和品质因数79

3.7.1 动态系统和控制方程80

3.7.2 正弦谐振激励下的响应80

3.7.3 阻尼和品质因数81

3.7.4 谐振频率和带宽82

3.8 弹簧常数和谐振频率的主动调节82

3.9 推荐教科书清单83

3.10 总结84

习题84

参考文献87

第4章 静电敏感与执行原理92

4.0 预览92

4.1 静电传感器与执行器概述92

4.2 平行板电容器93

4.2.1 平行板电容93

4.2.2 偏压作用下静电执行器的平衡位置95

4.2.3 平行板执行器的吸合效应96

4.3 平行板电容器的应用101

4.3.1 惯性传感器101

4.3.2 压力传感器105

4.3.3 流量传感器108

4.3.4 触觉传感器110

4.3.5 平行板执行器112

4.4 叉指电容器113

4.5 梳状驱动器件的应用117

4.5.1 惯性传感器117

4.5.2 执行器119

4.6 总结120

习题121

参考文献123

第5章 热敏感与执行原理127

5.0 预览127

5.1 引言127

5.1.1 热传感器127

5.1.2 热执行器127

5.1.3 热传递的基本原理128

5.2 基于热膨胀的传感器和执行器131

5.2.1 热双层片原理133

5.2.2 单一材料组成的热执行器137

5.3 热电偶139

5.4 热电阻器141

5.5 应用142

5.5.1 惯性传感器142

5.5.2 流量传感器144

5.5.3 红外传感器152

5.5.4 其他传感器154

5.6 总结157

习题158

参考文献161

第6章 压阻传感器164

6.0 预览164

6.1 压阻效应的起源和表达式164

6.2 压阻传感器材料166

6.2.1 金属应变计166

6.2.2 单晶硅166

6.2.3 多晶硅168

6.3 机械元件的应力分析168

6.3.1 弯曲悬臂梁中的应力168

6.3.2 薄膜中的应力和变形172

6.4 压阻传感器的应用174

6.4.1 惯性传感器174

6.4.2 压力传感器177

6.4.3 触觉传感器179

6.4.4 流量传感器181

6.5 总结184

习题184

参考文献187

第7章 压电敏感与执行原理189

7.0 预览189

7.1 引言189

7.1.1 背景189

7.1.2 压电材料的数学描述190

7.1.3 悬臂梁式压电执行器模型192

7.2 压电材料的特性193

7.2.1 石英194

7.2.2 PZT194

7.2.3 PVDF196

7.2.4 ZnO196

7.2.5 其他材料199

7.3 应用200

7.3.1 惯性传感器200

7.3.2 声学传感器202

7.3.3 触觉传感器204

7.3.4 流量传感器205

7.3.5 弹性表面波206

7.4 总结207

习题207

参考文献210

第8章 磁执行原理212

8.0 预览212

8.1 基本概念和原理212

8.1.1 磁化及术语212

8.1.2 微磁执行器的原理214

8.2 微型磁性元件的制造217

8.2.1 磁性材料的沉积217

8.2.2 磁性线圈的设计与制造219

8.3 MEMS磁执行器的实例研究222

8.4 总结228

习题228

参考文献229

第9章 敏感与执行原理总结231

9.0 预览231

9.1 主要敏感与执行方式的比较231

9.2 其他敏感与执行方法232

9.2.1 隧道效应敏感232

9.2.2 光学敏感234

9.2.3 场效应晶体管238

9.2.4 射频谐振敏感240

9.3 总结241

习题242

参考文献243

第10章 体微机械加工与硅各向异性刻蚀245

10.0 预览245

10.1 引言245

10.2 各向异性湿法刻蚀246

10.2.1 简介246

10.2.2 硅各向异性刻蚀规则——简单结构247

10.2.3 硅各向异性刻蚀规则——复杂结构251

10.2.4 凸角刻蚀256

10.2.5 独立掩膜图形之间的刻蚀相互作用257

10.2.6 设计方法总结259

10.2.7 硅各向异性湿法刻蚀剂259

10.3 干法刻蚀与深反应离子刻蚀263

10.4 各向同性湿法刻蚀264

10.5 汽相刻蚀剂264

10.6 本征氧化层264

10.7 专用圆片与专用技术265

10.8 总结265

习题266

参考文献271

第11章 表面微机械加工273

11.0 预览273

11.1 表面微机械加工基本工艺273

11.1.1 牺牲层刻蚀工艺273

11.1.2 微型马达制造工艺——第一种方案273

11.1.3 微型马达制造工艺——第二种方案274

11.1.4 微型马达制造工艺——第三种方案275

11.2 结构层材料和牺牲层材料277

11.2.1 双层工艺中的材料选择标准277

11.2.2 薄膜的低压化学汽相淀积278

11.2.3 其他表面微机械加工材料与工艺280

11.3 加速牺牲层刻蚀的方法281

11.4 黏附机制和抗黏附方法282

11.5 总结283

习题284

参考文献285

第12章 工艺组合289

12.0 预览289

12.1 悬空梁的制造工艺290

12.2 悬空薄膜的制造工艺294

12.3 悬臂梁的制造工艺298

12.3.1 扫描探针显微镜（SPM）技术298

12.3.2 制造微尖的常用方法300

12.3.3 带有集成微尖的悬臂梁301

12.3.4 带有传感器的悬臂梁SPM探针305

12.3.5 带有执行器的SPM探针309

12.4 影响MEMS成品率的因素312

12.5 总结313

习题313

参考文献316

第13章 聚合物MEMS318

13.0 预览318

13.1 引言318

13.2 MEMS中的聚合物319

13.2.1 聚酰亚胺320

13.2.2 SU-8321

13.2.3 液晶聚合物（LCP）321

13.2.4 PDMS322

13.2.5 PMMA323

13.2.6 聚对二甲苯323

13.2.7 碳氟化合物324

13.2.8 其他聚合物324

13.3 典型应用325

13.3.1 加速度传感器325

13.3.2 压力传感器326

13.3.3 流量传感器329

13.3.4 触觉传感器330

13.4 总结332

习题332

参考文献333

第14章 微流控应用337

14.0 预览337

14.1 微流控的发展动机337

14.2 生物基本概念338

14.3 流体力学基本概念340

14.3.1 雷诺数与黏性340

14.3.2 通道中流体的驱动方法341

14.3.3 压力驱动341

14.3.4 电致流动343

14.3.5 电泳和介电泳344

14.4 微流控元件的设计与制造345

14.4.1 通道345

14.4.2 阀352

14.5 总结355

习题355

参考文献356

第15章 MEMS典型产品实例361

15.0 预览361

15.1 案例分析：血压（BP）传感器361

15.1.1 背景及历史361

15.1.2 器件设计考虑362

15.1.3 商业化实例：NovaSensor公司的血压传感器362

15.2 案例分析：微麦克风364

15.2.1 背景及历史364

15.2.2 器件设计考虑365

15.2.3 商业化实例：Knowles公司的微麦克风365

15.3 案例分析：加速度传感器366

15.3.1 背景及历史366

15.3.2 器件设计考虑367

15.3.3 商业化实例：AD公司和MEMSIC公司的加速度传感器369

15.4 案例分析：陀螺370

15.4.1 背景及历史370

15.4.2 Coriolis力370

15.4.3 MEMS陀螺设计371

15.4.4 单轴陀螺动力学373

15.4.5 商业化实例：InvenSense公司的陀螺374

15.5 MEMS产品开发需要考虑的主要因素375

15.5.1 性能和精度375

15.5.2 可重复性和可靠性376

15.5.3 MEMS产品的成本管理376

15.5.4 市场、投资和竞争376

15.6 总结377

习题377

参考文献379

附录A 典型MEMS材料特性381

附录B 梁、悬臂梁、板的常用力学公式384

附录C 处理二阶动态系统的基本方法386

附录D 常用材料的制备方法、刻蚀剂和能够承受的最高温度389

附录E 常用材料去除工艺390

附录F 材料和工艺之间的兼容性总结391

附录G 商用惯性传感器比较393

部分习题答案395