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第1章 绪论 1

1.0 预览 1

1.1 MEMS研究发展史 1

1.2 MEMS的本质特征 8

1.2.1 小型化 8

1.2.2 微电子集成 10

1.2.3 高精度的批量制造 10

1.3 器件：传感器和执行器 10

1.3.1 能量域和换能器 10

1.3.2 传感器 12

1.3.3 执行器 14

总结 15

习题 15

参考文献 17

第2章 微制造导论 21

2.0 预览 21

2.1 微制造综述 21

2.2 微电子制造工艺 22

2.3 硅基MEMS工艺 25

2.4 新材料和新制造工艺 29

2.5 工艺中需考虑的因素 30

总结 31

习题 31

参考文献 32

第3章 电学与机械学基本概念 36

3.0 预览 36

3.1 半导体的电导率 36

3.1.1 半导体材料 37

3.1.2 载流子浓度的计算 37

3.1.3 电导率和电阻率 40

3.2 晶面和晶向 42

3.3 应力和应变 44

3.3.1 内力分析：牛顿运动定律 44

3.3.2 应力和应变的定义 46

3.3.3 张应力和张应变之间的一般标量关系 48

3.3.4 硅和相关薄膜的力学特性 50

3.3.5 应力一应变的一般关系 51

3.4 简单负载条件下挠性梁的弯曲 53

3.4.1 梁的类型 53

3.4.2 纯弯曲下的纵向应变 55

3.4.3 梁的挠度 56

3.4.4 求解弹性形变常数 56

3.5 扭转变形 60

3.6 本征应力 62

3.7 谐振频率和品质因数 65

3.8 弹簧弹性常数和谐振频率的有源调节 66

3.9 推荐教科书清单 67

总结 67

习题 68

参考文献 71

第4章 静电敏感与执行原理 74

4.0 预览 74

4.1 静电传感器与执行器概述 74

4.2 平行板电容器 75

4.2.1 平行板电容 75

4.2.2 偏压作用下静电执行器的平衡位置 77

4.2.3 平行板执行器的吸合（pull-in）效应 79

4.3 平行板电容器的应用 83

4.3.1 惯性传感器 83

4.3.2 压力传感器 86

4.3.3 流量传感器 90

4.3.4 触觉传感器 92

4.3.5 平行板执行器 93

4.4 叉指电容器 94

4.5 梳状驱动器件的应用 98

4.5.1 惯性传感器 98

4.5.2 执行器 101

总结 102

习题 103

参考文献 105

第5章 热敏感与执行原理 108

5.0 预览 108

5.1 前言 108

5.1.1 热传感器 108

5.1.2 热执行器 108

5.1.3 热传递的基本原理 109

5.2 基于热膨胀的传感器和执行器 112

5.2.1 热双层片原理 114

5.2.2 单一材料组成的热执行器 119

5.3 热电偶 120

5.4 热电阻器 122

5.5 应用 123

5.5.1 惯性传感器 123

5.5.2 流量传感器 125

5.5.3 红外传感器 132

5.5.4 其他传感器 134

总结 137

习题 138

参考文献 141

第6章 压阻传感器 144

6.0 预览 144

6.1 压阻效应的起源和表达式 144

6.2 压阻传感器材料 146

6.2.1 金属应变计 146

6.2.2 单晶硅 146

6.2.3 多晶硅 149

6.3 机械元件的应力分析 149

6.3.1 弯曲悬臂梁中的应力 150

6.3.2 薄膜中的应力 153

6.4 压阻传感器的应用 154

6.4.1 惯性传感器 154

6.4.2 压力传感器 158

6.4.3 触觉传感器 159

6.4.4 流量传感器 161

总结 164

习题 164

参考文献 167

第7章 压电敏感与执行原理 169

7.0 预览 169

7.1 前言 169

7.1.1 背景 169

7.1.2 压电材料的数学描述 170

7.1.3 悬臂梁式压电执行器模型 172

7.2 压电材料的特性 173

7.2.1 石英 174

7.2.2 PZT 174

7.2.3 PVDF 176

7.2.4 ZnO 176

7.2.5 其他材料 179

7.3 应用 179

7.3.1 惯性执行器 179

7.3.2 声学传感器 181

7.3.3 触觉传感器 183

7.3.4 流量传感器 184

7.3.5 弹性表面波 185

总结 186

习题 187

参考文献 189

第8章 磁执行器 192

8.0 预览 192

8.1 基本概念和原理 192

8.1.1 磁化及术语 192

8.1.2 微磁执行器的原理 194

8.2 微磁元件的制造 197

8.2.1 磁性材料的沉积 198

8.2.2 磁性线圈的设计和制造 199

8.3 MEMES磁执行器的实例研究 202

总结 208

习题 208

参考文献 209

第9章 敏感与执行原理总结 211

9.0 预览 211

9.1 主要敏感与执行方式的比较 211

9.2 隧道效应敏感 212

9.3 光学敏感 214

9.3.1 利用波导的敏感结构 214

9.3.2 利用自由空间光束的敏感结构 215

9.3.3 利用光学干涉测量法的位置敏感结构 215

9.4 场效应晶体管 218

9.5 射频谐振敏感 220

总结 221

习题 221

参考文献 222

第10章 体微机械加工与硅各向异性腐蚀 224

10.0 预览 224

10.1 前言 224

10.2 各向异性湿法腐蚀 226

10.2.1 简介 226

10.2.2 硅各向异性腐蚀的规则——简单例子 227

10.2.3 硅各向异性腐蚀的规则——复杂结构 231

10.2.4 独立掩膜图形之间的腐蚀相互作用 236

10.2.5 设计方法总结 238

10.2.6 硅湿法各向异性腐蚀剂 238

10.3 硅的干法刻蚀——等离子体刻蚀 241

10.4 深反应离子刻蚀（DRIE） 242

10.5 各向同性湿法腐蚀 243

10.6 气相刻蚀剂 244

10.7 自然氧化层 244

10.8 键合 244

10.9 加工实例 245

10.9.1 悬空梁和薄板 245

10.9.2 悬空膜 246

总结 249

习题 249

参考文献 255

第11章 表面微机械加工 258

11.0 预览 258

11.1 表面微机械加工基本工艺 258

11.1.1 牺牲层腐蚀工艺 258

11.1.2 微型马达的制造工艺——第一种方案 258

11.1.3 微型马达的制造工艺——第二种实现方案 260

11.1.4 微型马达制造工艺——第三种实现方法 261

11.2 结构层材料和牺牲层材料 262

11.2.1 材料选择标准 262

11.2.2 低压化学气相淀积薄膜 263

11.2.3 其他表面微机械加工材料和工艺 264

11.3 加速牺牲层腐蚀的方法 265

11.4 黏附机制和抗粘附方法 266

11.5 3D MEMS的组装 267

11.6 加工厂制造工艺 270

总结 271

习题 272

参考文献 274

第12章 聚合物MEMS 277

12.0 预览 277

12.1 前言 277

12.2 MEMS中的聚合物 278

12.2.1 聚酰亚胺 279

12.2.2 SU-8 280

12.2.3 液晶聚合物（LCP） 280

12.2.4 PDMS 281

12.2.5 PMMA 282

12.2.6 聚对二甲苯 282

12.2.7 碳氟化合物 283

12.2.8 其他聚合物 283

12.3 典型应用 284

12.3.1 加速度传感器 284

12.3.2 压力传感器 284

12.3.3 流量传感器 288

12.3.4 触觉传感器 288

总结 291

习题 291

参考文献 292

第13章 微流控学应用 295

13.0 预览 295

13.1 微流控的发展动机 295

13.2 生物基本概念 296

13.3 流体力学基本概念 297

13.3.1 雷诺数和黏性 298

13.3.2 通道中流体的驱动方法 299

13.3.3 压力驱动 299

13.3.4 电致的流动 300

13.3.5 电泳和介电泳 301

13.4 可微流控元件的设计与制造 303

13.4.1 通道 303

13.4.2 阀 310

总结 312

习题 312

参考文献 313

第14章 扫描探针显微镜部件 318

14.0 预览 318

14.1 前言 318

14.1.1 扫描探针显微镜（SPM）技术 318

14.1.2 用途广泛SPM家族 319

14.1.3 扫描探针显微镜技术的扩展 321

14.2 制造探针的常见方法 321

14.3 带有集成探针的悬臂梁 323

14.3.1 一般设计考虑 323

14.3.2 常见的制造方法 323

14.3.3 其他技术 327

14.4 带有传感器和执行器的SPM探针 328

14.4.1 集成有传感器的SPM探针 329

14.4.2 带有执行器的SPM探针 332

总结 335

习题 335

参考文献 337

第15章 光MEMS 340

15.0 预览 340

15.1 无源MEMS光学器件 340

15.1.1 透镜 341

15.1.2 反射镜 343

15.2 有源光MEMS执行器 345

15.2.1 离面小位移执行器 345

15.2.2 面内大位移执行器 347

15.2.3 离面转动执行器 347

总结 350

习题 350

参考文献 352

第16章 MEMS技术组织与管理 355

16.0 预览 355

16.1 研发策略 355

习题 359

参考文献 360

附录A 材料特性 362

参考文献 363

附录B 梁与膜的常用力学公式 364