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第一篇 微系统和纳米技术基础 3

第1章 纳时代的信息电子学&李志坚 清华大学 3

概述 3

1.1 纳时代的CMOSFET 3

1.1.1 CMOS技术进展 3

1.1.2 小尺寸MOSFET的次级效应 5

1.2 纳米MOSFET新结构新材料 9

1.2.1 纳米MOSFET新结构 9

1.2.2 MOS结构新材料 11

1.2.3 终极（ultimate）MOSFET——传统CMOS技术极限 12

1.2.4 ULSI连接 14

1.2.5 小结 15

1.3 新兴纳电子器件 15

1.3.1 量子共振隧道器件 16

1.3.2 单电子晶体管 18

1.3.3 纳米碳管电子学 20

1.3.4 自旋电子学 24

1.3.5 超导量子干涉器件 28

1.3.6 分子电子学 33

1.3.7 NEMS 37

1.3.8 小结 42

1.4 量子信息处理 42

1.4.1 SOC和传统信息处理模式的革命 42

1.4.2 量子信息处理的基本框架 44

1.4.3 量子信息处理的物理实现 53

1.4.4 小结 62

结束语 62

作者介绍 62

参考文献 62

第2章 微／纳流体力学&何志明 美国加州大学洛杉矶分校 戴聿昌 美国加州理工学院 69

概述 69

2.1 物理常数 70

2.2 基于水动力的流体系统 72

2.3 水动力场对生物体的直接操纵 73

2.3.1 单细胞操控 73

2.3.2 DNA操控 73

2.4 电动力场 74

2.4.1 电热流 74

2.4.2 电渗 74

2.4.3 AC电渗 75

2.4.4 电润湿 76

2.4.5 电泳 76

2.4.6 介电电泳 77

2.5 微流体生物分析过程 78

2.5.1 样品浓缩 78

2.5.2 混合 79

2.5.3 分离 79

2.5.4 电化学DNA探测 80

2.5.5 蛋白质探测 81

结束语 82

致谢 83

作者介绍 83

参考文献 84

第3章 微系统中的材料问题&蔡炳初 上海交通大学 88

概述 88

3.1 微系统中材料失效的主要机制 89

3.1.1 断裂机制 89

3.1.2 黏附（stiction）、摩擦和磨损 92

3.1.3 断口分析 93

3.2 微系统中微结构材料机械性能测试方法 93

3.2.1 微拉伸法 94

3.2.2 共振频率法 94

3.2.3 鼓胀（bulge）法 95

3.2.4 纳米压痕法 97

3.2.5 梁弯曲法 98

3.2.6 疲劳特性和断裂韧性的测试方法 99

3.3 微系统中的结构材料 101

3.3.1 硅及硅化物的机械性能 102

3.3.2 聚对二甲苯的性能及其应用 108

3.4 微摩擦学材料 113

3.4.1 自组装单分子膜 113

3.4.2 超薄硬质膜 115

结束语 116

作者介绍 117

参考文献 117

第4章 微机电系统的数值仿真方法&黄京芳 美国北卡罗来纳大学教堂山分校 120

概述 120

4.1 微机电系统的数学模型 120

4.1.1 多尺度问题 121

4.1.2 多物理问题 122

4.2 数值方法简介 123

4.2.1 有限差分方法 123

4.2.2 有限元方法 125

4.2.3 积分方程方法 127

4.2.4 方法比较 130

4.3 积分方程与快速算法 131

4.3.1 解的积分形式表示方法 131

4.3.2 快速算法 135

4.4 积分方程方法的进展与应用 150

4.4.1 积分方程的发展 150

4.4.2 快速算法的进展 154

4.4.3 积分方程与快速算法的应用 157

结束语 160

作者介绍 161

参考文献 161

第5章 多学科交叉中的纳米力学&郑泉水 王立峰 徐志平 清华大学 167

概述 167

5.1 纳米力学模型 168

5.1.1 连续介质力学模型 169

5.1.2 经验原子模型 170

5.1.3 紧束缚与半经验模型 172

5.1.4 第一原理模型与从头算方法 173

5.2 纳米管的力学 174

5.2.1 碳纳米管的分子结构 174

5.2.2 碳纳米管基本力学性能的实验测量 175

5.2.3 碳纳米管基本力学性能的理论研究 179

5.2.4 断裂机制和拉伸破坏强度 182

5.2.5 剪切强度和层间滑移 183

5.2.6 范德华相互作用影响下的奇异力学行为 185

5.3 碳纳米管的力学应用 186

5.3.1 碳纳米管增强复合材料 186

5.3.2 纳机电器件：振荡器 187

5.3.3 力电耦合及其应用 188

结束语 190

作者介绍 190

参考文献 191

第6章 纳米结构与单分子的电子输运性质&赵爱迪 侯建国 中国科学技术大学 198

概述 198

6.1 量子传导与电子隧穿 199

6.1.1 量子传导与Landauer-Büttiker公式 199

6.1.2 电子隧穿与一维隧穿模型 201

6.2 纳米结构电子输运系统 203

6.2.1 纳尺度电子输运系统及其构造 203

6.2.2 单势垒隧道结与扫描隧道显微镜 205

6.2.3 双势垒隧道结与单电子现象 209

6.3 实验与进展 212

6.3.1 单个原子的电子输运 212

6.3.2 单分子的电子输运 215

6.3.3 纳米团簇与颗粒 223

6.3.4 分子单层膜 228

结束语 231

作者介绍 231

参考文献 232

第7章 纳米材料的结构分析和表征&周维列 美国新奥尔良大学 王中林 美国佐治亚理工学院 239

概述 239

7.1 X射线对纳米粒子的表征 239

7.1.1 小粒子的衍射 240

7.1.2 纳米粒子衍射的特性 240

7.1.3 晶体粒子 240

7.1.4 非晶结构 241

7.2 扫描电子显微镜在观察纳米材料中的应用 242

7.2.1 简介 242

7.2.2 扫描电子显微镜的原理 243

7.2.3 扫描电子显微镜的构造 244

7.2.4 扫描电子显微镜成像原理 246

7.3 纳米材料的透射电子显微学及能谱学研究 251

7.3.1 透射电子显微学 251

7.3.2 高分辨TEM像 252

7.3.3 纳米材料中的缺陷 257

7.3.4 定量纳米分析 260

结束语 263

作者介绍 263

参考文献 264

第二篇 微系统 271

第8章 MEMS介绍&戴聿昌 美国加州理工学院 271

概述 271

8.1 什么是MEMS 271

8.2 MEMS技术 272

8.2.1 与半导体技术紧密联系 272

8.2.2 MEMS基础技术 272

8.3 MEMS的简单历史 275

8.3.1 电子微小化的开始 276

8.3.2 机械微小化的开始 276

8.3.3 MEMS的应用和前景 279

8.4 MEMS的未来 280

8.4.1 “多学科”和“系统”是关键词 280

8.4.2 未来有希望的方向 281

结束语 281

作者介绍 281

参考文献 282

第9章 微机电传感器&鲍敏杭 复旦大学 287

9.1 压阻压力传感器 287

9.1.1 金属应变计 287

9.1.2 应变式力敏传感器 288

9.1.3 半导体的压阻效应 288

9.1.4 压阻式压力传感器 289

9.1.5 微机械加工的硅压阻式压力传感器 290

9.1.6 表压、绝压和差压压力传感器 291

9.2 压阻式加速度传感器 292

9.3 电容式压力传感器和加速度传感器 294

9.3.1 电容式压力传感器 294

9.3.2 电容式加速度传感器 295

9.4 电容式麦克风 296

9.5 谐振式传感器 297

9.6 振动式微机械陀螺 298

9.7 集成的微机械加速度传感器——微机电系统 300

作者介绍 302

参考文献 302

第10章 微致动器&邹峻 美国得克萨斯A＆M大学 304

概述 304

10.1 微型静电致动器 305

10.1.1 平行平板电容式微型静电致动器 305

10.1.2 交叉指状电容致动器 307

10.2 微型热致动器 310

10.2.1 利用单一材料的热致动 311

10.2.2 双金属热致动器 312

10.2.3 利用物质相变的热致动 314

10.2.4 热气致动 315

10.3 微型电磁致动器 316

10.3.1 利用电磁场进行的微致动 316

10.3.2 利用微加工的磁性材料进行的微致动 317

10.3.3 利用集成电磁线圈进行磁致动 320

10.4 微型压电致动器 322

10.4.1 悬臂梁式微型压电致动器的应用 323

10.4.2 薄膜式微型压电致动器的应用 324

10.5 其他微型致动器 325

10.5.1 形状记忆合金微型致动器 326

10.5.2 利用外界气压／液压驱动的微型致动器 326

10.5.3 基于电化学反应的微型致动器 326

10.6 常用微型致动器的结构、工艺和性能比较 327

作者介绍 327

参考文献 327

第11章 MEMS设计&苏育全 中国台湾清华大学 林立伟 美国加州大学伯克利分校 332

概述 332

11.1 MEMS设计工具 334

11.1.1 CAD框架结构 334

11.1.2 分析、优化和加工工具 335

11.2 基于体硅微加工的MEMS设计 336

11.3 基于表面微加工的MEMS设计 342

11.4 未来趋势与总结 347

作者介绍 348

参考文献 349

第12章 微型机电系统的加工制造工艺和技术&王万军 连崑 美国路易斯安娜州立大学 353

12.1 微加工技术和分类 353

12.2 光刻技术的简介 355

12.2.1 几个基本概念 355

12.2.2 感光胶的基本构成和紫外感光胶的感光频谱 356

12.2.3 光刻的基本流程 356

12.2.4 用于光刻的光源、光刻的分辨率及其衍射现象 358

12.2.5 多层接触式光刻的校准要求 359

12.2.6 掩膜板的设计制造 360

12.3 硅表面加工技术 361

12.3.1 硅表面工艺的简单介绍 361

12.3.2 硅表面工艺的基本工艺流程 362

12.4 湿法刻蚀技术 365

12.4.1 硅片的表面清洗 366

12.4.2 各向同性刻蚀 366

12.4.3 各向异性刻蚀 367

12.4.4 湿法刻蚀的掩膜板 371

12.5 干法刻蚀技术 372

12.5.1 等离子体和等离子发生器 372

12.5.2 等离子刻蚀的机理 373

12.5.3 反应离子刻蚀（RIE）的基本原理 375

12.5.4 硅深反应离子刻蚀 376

12.6 SU-8的紫外光刻技术及其应用 377

12.6.1 SU-8的物理、化学和电特性 378

12.6.2 SU-8紫外光刻的基本流程和技术介绍 379

12.6.3 衍射问题的产生及其减少措施 383

12.6.4 SU-8的倾斜曝光 385

12.6.5 紫外光刻SU-8的应用 386

12.7 LIGA制造技术 389

12.7.1 用于X射线LIGA工艺的光源 390

12.7.2 用于X射线LIGA工艺的光刻胶——PMMA 391

12.7.3 用于X射线光刻的掩膜板 393

12.7.4 X射线光刻后的PMMA的显影 396

12.7.5 电镀／电铸成形技术 396

12.7.6 注塑／热压成形技术 397

作者介绍 398

参考文献 399

第13章 光MEMS和纳米光子……吴明强 美国加州大学伯克利分校 蔡睿哲 中国台湾大学 Wibool Piyawatta-nametha 美国斯坦福大学 Pamela R.Patterson 美国Malibu,LLC,HRL实验室 402

概述 402

13.1 致动机制 402

13.1.1 静电致动 402

13.1.2 磁致动 403

13.1.3 热致动 404

13.1.4 其他致动机制 404

13.2 应用 404

13.2.1 显示、成像和显微技术 404

13.2.2 光通信 412

13.2.3 纳米光子学 430

结束语 436

作者介绍 436

参考文献 437

第14章 MEMS封装介绍&乔木 加拿大不列颠哥伦 比亚大学 郑裕庭 中国台湾交通大学 林立伟 美国加州大学伯克利分校 447

概述 447

14.1 MEMS封装的基本原理 447

14.2 目前的MEMS封装方法 449

14.3 用于MEMS封装的键合工艺 450

14.3.1 MEMS封装的熔合键合 450

14.3.2 用于MEMS封装的阳极键合 451

14.3.3 环氧键合（黏合剂键合） 452

14.3.4 共晶封装 452

14.3.5 焊料键合 452

14.3.6 局部加热和键合 453

14.4 密封／真空封装和应用 454

14.4.1 集成微加工工艺 454

14.4.2 后封装工艺 456

14.4.3 局部加热和键合 458

14.4.4 混合方法 460

14.5 封装可靠性和加速测试 461

14.6 将来的趋势和总结 464

作者介绍 465

参考文献 466

第三篇 纳米技术 475

第15章 纳米管、纳米线和纳米带&王中林 王旭东 美国佐治亚理工学院 高瑞平 国家自然科学基金委员会 475

概述 475

15.1 一维纳米材料的合成工艺 476

15.1.1 一维纳米材料的合成工艺简介 476

15.1.2 热挥发法的试验过程 476

15.1.3 VLS生长机理 477

15.2 纳米管结构 478

15.2.1 碳纳米管的结构和形貌 479

15.2.2 碳纳米管的性质 484

15.3 纳米线结构 489

15.3.1 纳米线结构的尺寸控制 489

15.3.2 纳米线的有序阵列 491

15.4 纳米带结构 493

15.4.1 氧化锌纳米带 493

15.4.2 纳米带家族 500

15.4.3 纳米带的性质研究 501

15.5 一维纳米材料的应用前景 505

15.5.1 激光和发光二极管器件 505

15.5.2 场效应管及场发射枪 506

15.5.3 化学及生物传感器 507

15.5.4 在复合材料中的应用 509

结束语 510

致谢 510

作者介绍 510

参考文献 511

第16章 半导体纳米晶体——量子点、量子线、量子棒&彭作岩 美国Evident Technology公司 517

16.1 半导体纳米晶体简介 517

16.2 半导体纳米晶体粒子的电子结构 519

16.3 半导体纳米晶体粒子的合成及表征 522

16.3.1 半导体纳米晶体粒子在无机基体材料中的合成 522

16.3.2 高温配位溶剂金属有机化合物合成法 525

16.3.3 氧化镉及其衍生合成法 528

16.3.4 半导体纳米晶体的表征 530

16.4 半导体纳米晶体的形状及结构控制 534

16.5 半导体纳米晶体的核-壳（core-shell）结构 539

16.6 半导体纳米晶体在生物检测上的应用 543

作者介绍 548

参考文献 548

第17章 STM和AFM在纳米加工和制造中的应用&张益 胡钧 中国科学院上海应用物理研究所 肖旭东 香港科技大学 553

概述 553

17.1 对单个原子和分子的操纵和加工 553

17.2 表面的纳米刻蚀和加工 557

17.3 基于纳米电化学反应的表面加工 557

17.4 利用场蒸发现象制作金属纳米结构 559

17.5 纳米蘸笔技术 559

17.6 纳米嫁接技术 561

17.7 SPM在纳米加工和制造中的前景 562

作者介绍 562

参考文献 563

第18章 纳米尺度制造&曾安培 美国亚利桑那州立大学 Andrea Notargiiacomo意大利罗马第三大学 565

概述 565

18.1 电子束光刻技术 566

18.1.1 投影光刻 566

18.1.2 直写和剥离工艺 567

18.2 离子束光刻技术 569

18.2.1 离子投影光刻 569

18.2.2 聚焦离子束直写／铣削 570

18.2.3 聚焦离子束直写／注入 571

18.2.4 聚焦离子束直写／沉积 572

18.3 扫描探针显微镜光刻 574

18.3.1 扫描隧道显微镜光刻 574

18.3.2 原子力显微镜（AFM）光刻 576

18.3.3 扫描近场光学显微镜光刻 579

18.4 自组装 579

18.4.1 以自组装为媒介的图形制作和传递 579

18.4.2 采用生物结构的模板化自组装 581

18.4.3 力场控制自组装 581

结束语 582

致谢 584

作者介绍 584

参考文献 584

第19章 基于微机电系统制造工艺的集成纳米技术&李昕欣 王跃林 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 590

概述 590

19.1 从MEMS技术发展到NEMS技术的趋势 594

19.2 集成纳米机械制造技术 596

19.3 纳机电尺度效应 603

19.4 典型集成纳机电器件 607

19.5 NEMS技术的发展展望 610

作者介绍 611

参考文献 612

第四篇 微系统和纳米技术应用 617

第20章 微机电系统的应用&葛文勋 厦门大学 617

20.1 微机电系统（MEMS）的简史和前瞻 617

20.2 MEMS的应用 618

20.3 一个即将来临的重要应用——生物医药方面的应用 619

20.4 植入式微机电系统在物理、医学、药物上的应用 620

作者介绍 622

参考文献 622

第21章 微机电传感系统&周兆英 朱荣 熊沈蜀 清华大学 623

概述 623

21.1 三维空间的坐标变换和姿态测量 628

21.1.1 旋转坐标系 628

21.1.2 传感器在地球旋转坐标系中的敏感分量 630

21.1.3 从运动物体上的传感器输出解算姿态角 632

21.2 多传感器系统的姿态角估计算法 633

21.3 传感系统的正交装配误差补偿技术 636

21.4 微机电传感应用系统 639

21.4.1 空速计 640

21.4.2 数字罗盘 641

21.4.3 微机电姿态测量仪 642

21.4.4 两个旋转坐标系之间的关系和颈椎姿态测量的应用 643

结束语 644

作者介绍 645

参考文献 646

第22章 集成CMOS检测电路的表面微机械加速度计&云维杰 美国Telegent Systems公司 648

概述 648

22.1 介绍 648

22.2 背景——文献 649

22.2.1 加速度计理论 649

22.2.2 加速度计建模 659

22.2.3 加速度计例子 662

22.3 实验设计：加速度计设计 665

22.3.1 敏感单元 666

22.3.2 机械悬梁 666

22.3.3 电容电桥 669

22.3.4 输入缓冲器 670

22.3.5 反馈设计 671

22.3.6 机电∑-△调制 673

22.4 制作技术 678

22.4.1 工艺集成 680

22.4.2 温度需求 681

22.4.3 工艺描述 683

22.5 实验结果 686

22.6 结论及下一步研究 690

作者介绍 691

参考文献 692

第23章 汽车中的MEMS&张世加 美国德尔福研究室 698

概述 698

23.1 MEMS技术的本质 700

23.2 汽车MEMS 705

23.2.1 压力传感器 706

23.2.2 加速度计 709

23.2.3 固态陀螺 713

23.2.4 其他基于MEMS的汽车器件 716

结束语 718

致谢 719

作者介绍 719

参考文献 719

第24章 生物芯片&程京 清华大学 722

概述 722

24.1 基础知识、工具和原理 723

24.1.1 微阵列芯片检测原理 724

24.1.2 常用生物分析技术 725

24.2 生物芯片的应用实例 731

24.2.1 微阵列芯片 731

24.2.2 色谱芯片 737

24.2.3 毛细管电泳芯片 742

24.2.4 PCR微反应芯片 747

24.2.5 样品制备芯片 749

24.2.6 芯片实验室 752

24.3 生物芯片的未来展望 756

作者介绍 756

参考文献 756

第25章 纳米技术在生物和医学中的应用&高虓虎 美国华盛顿大学 聂书明 美国佐治亚理工学院 764

概述 764

25.1 量子点 767

25.1.1 合成及表面化学 768

25.1.2 独特的光学性能 770

25.2 生物和医学中的应用 772

25.2.1 荧光标记 772

25.2.2 光学条形码 775

结束语 778

致谢 778

作者介绍 778

参考文献 779

第五篇 发展和展望 787

第26章 发展和展望 787

26.1 微系统技术、微机电系统和纳机电系统&Richard S.Muller美国加州大学伯克利分校 787

26.1.1 微米、纳米技术 787

26.1.2 硅微加工 788

26.1.3 新材料，新技术 789

26.1.4 计算机辅助设计 790

26.1.5 结论 790

作者介绍 790

26.2 对MEMS过去现在和未来的一些思考&Wolfgang Menz德国弗莱堡大学 791

作者介绍 794

26.3 MEMS的历史、经历与展望&Masayoshi Esashi日本东北大学 794

26.3.1 简介 794

26.3.2 历史和我们的经验 794

26.3.3 我的展望 797

作者介绍 798

参考文献 798

26.4 学无止境：正在出现的微纳技术——过去的经历以及未来的预测&Geoff Beardmore英国Myriad技术公司 799

26.4.1 我的背景 799

26.4.2 基本的智慧 800

26.4.3 经验——50年的历程 801

26.4.4 预测未来 804

作者介绍 805

26.5 微流体的未来：低成本技术和微流体平台&Roland Zengerle Jens Ducrée德国弗莱堡大学 806

26.5.1 微流体平台的必要性 806

26.5.2 什么是微流体平台 807

26.5.3 微流体平台的实例 807

26.5.4 结论 812

作者介绍 812

参考文献 813

26.6 从纳米技术到纳米制造，再到纳米工业&王中林 美国佐治亚理工学院 814

26.6.1 纳米技术：远远不只是小型化 814

26.6.2 纳米制造的途径与挑战 815

26.6.3 纳米制造——不仅仅是个工程过程 820

作者介绍 820