CMOS MEMS技术与应用PDF电子书下载

1　制造工艺 1

1.1　CMOS工艺 2

1.1.1　基本的微加工步骤 3

1.1.2 CMOS工艺流程 8

1.1.3　用于微纳系统的CMOS材料 9

1.1.4　CMOS微系统 12

1.2　CMOS兼容的微机械加工工艺模块 15

1.2.1　体微机械加工 16

1.2.2　表面微机械加工 20

1.3　MEMS和NEMS的CMOS兼容设计 21

1.3.1 可容许的工艺修改 21

1.3.2　设计规则的修改 23

1.3.3 电路和MEMS模拟 24

1.4　CMOS和微机械加工 25

1.4.1　前CMOS微机械加工 29

1.4.2　内CMOS微机械加工 33

1.4.3 后CMOS微机械加工 38

1.5　结束语 50

1.6　参考文献 51

2　材料表征 61

2.1　引言 62

2.1.1 CMOS材料的换能效应 63

2.1.2　测试结构 67

2.2　电特性和热电特性 69

2.2.1 电阻率和方块电阻 69

2.2.2　材料电特性数据 71

2.2.3　热电动势 72

2.2.4 热电材料特性数据 75

2.3　热特性 77

2.3.1 热导率 77

2.3.2 热容 83

2.4　机械特性 88

2.4.1 鼓胀测试 89

2.4.2 圆片曲率 100

2.4.3　被动测试结构 101

2.4.4　静电驱动梁 103

2.4.5　微张力测试 104

2.4.6 纳米压痕 106

2.4.7 桥弯曲 106

2.4.8　机械材料数据库 108

2.5　结束语 108

2.6　参考文献 115

3　单片集成惯性传感器 120

3.1 引言 121

3.1.1 应用与发展动力 121

3.1.2　加速度计的工作原理 121

3.1.3 振动速率陀螺仪的工作原理 125

3.1.4　集成惯性传感器的研究内容 126

3.2　集成多晶硅惯性传感器 127

3.2.1 概述 127

3.2.2 Analog Devices公司集成多晶硅惯性传感器 127

3.2.3　Robert Bosch公司外延多晶硅加速度计 139

3.2.4　Sandia国家实验室 139

3.2.5　UC Berkeley(UCB) 139

3.2.6 英国国防评估与研究部 145

3.3　采用CMOS标准工艺加工的薄膜惯性传感器 145

3.3.1 概述 145

3.3.2　Siemens公司多晶硅栅加速度计 146

3.3.3　UCB压阻式CMOS-BEOL加速度计 147

3.3.4　Carnegie Mellon大学CMOS-BEOL惯性传感器系列 147

3.3.5　MEMS IC公司热加速度计 152

3.4　金属惯性传感器 153

3.4.1 概述 153

3.4.2 电镀金属加速度计 154

3.4.3　振动金属环陀螺仪 155

3.5　体硅加工集成MEMS惯性传感器 157

3.5.1　压阻式体硅加速度计 157

3.5.2　ADI公司SOI MEMS 159

3.5.3　Michigan大学玻璃上硅（SOG）加速度计 161

3.5.4　Carnegie Mellon大学DRIE-Si CMOS MEMS 162

3.6　发展趋势 163

3.7　参考文献 163

4　CMOS MEMS声学器件 168

4.1　引言 169

4.2　麦克风 170

4.2.1 小尺寸设计 171

4.2.2　麦克风设计和制造 174

4.2.3　CMOS MEMS麦克风的声学模型 176

4.2.4　实验结果 177

4.3　扬声器 180

4.3.1　传统扬声器与MEMS扬声器比较 181

4.3.2　制造 182

4.3.3　封闭耦合器中的声学 183

4.3.4　结果 183

4.3.5　数字声音重现 186

4.4　超声 188

4.4.1　制造 189

4.4.2　水下声学和实验装置 190

4.4.3　测量和结果 191

4.4.4　相控阵特性 192

4.5　结论 193

4.6　参考文献 193

5　CMOS RF MEMS 195

5.1　RF集成的发展简史 196

5.2　用于RF结构的MEMS 196

5.2.1　接收机结构 197

5.2.2　多波段收发机结构 198

5.3　微机械加工的RF元件 199

5.3.1　RF MEMS开关 199

5.3.2　可调电容 203

5.3.3 悬浮电感 207

5.3.4　微机械加工的分布式电磁谐振器 211

5.3.5　微机械谐振器和滤波器 212

5.4　基于CMOS RF MEMS的电路 215

5.5　结束语 218

5.6　参考文献 218

6　CMOS压力传感器 224

6.1　引言 225

6.2　微机械压力传感器 227

6.2.1 弹性固体的胡克定律 227

6.2.2　平面应力近似 235

6.2.3　压力敏感膜的挠度 236

6.2.4　压阻效应 243

6.2.5　惠斯通电桥中的压阻器 258

6.3　CMOS集成压力传感器 261

6.3.1　CMOS与MEMS集成的动机 262

6.3.2 薄膜加工中的厚度控制 264

6.3.3　工艺集成方法 266

6.3.4 多晶硅电容式压力传感器 273

6.3.5　高温压力传感器 282

6.3.6　微机械Pirani压力计 283

6.3.7　微机械压力传感器总结 284

6.4　结束语 286

6.5　参考文献 286

7　CMOS化学传感器 294

7.1　化学传感器 295

7.1.1 简单的吸附／吸收 297

7.1.2　化学反应 298

7.1.3 电荷转移与电化学反应 298

7.2　用于化学传感器的CMOS技术 298

7.3　CMOS化学传感器 300

7.3.1　化学机械传感器 300

7.3.2　热传感器 305

7.3.3　光传感器 309

7.3.4 电化学传感器 313

7.3.5　CMOS多传感器系统 329

7.4　参考文献 334

8　生物测定CMOS电容式指纹传感器系统 343

8.1　引言 344

8.1.1 生物测定系统类型 345

8.1.2　生物测定系统的要求 347

8.2　CMOS指纹传感器：从指纹表面到传感器信号 349

8.2.1　指纹传感器系统的类型 349

8.2.2 电容式指纹传感器的发展 351

8.3　CMOS电容式指纹传感器：从传感器信号到原始图像数据 353

8.3.1　CMOS指纹传感器芯片 353

8.3.2　质量要求 357

8.4　图像处理、特征提取和软件解决方案：从原始图像数据到个人识别 362

8.4.1 图像处理任务 362

8.4.2 生物测定系统的性能 370

8.4.3　系统集成 377

8.4.4　指纹系统的推广 382

8.5　结束语 385

8.6　参考文献 386

9　CMOS生化敏感系统 389

9.1　引言 390

9.1.1 生化敏感器件的小型化 390

9.1.2　生化传感器和传感器系统 390

9.1.3　用于生物敏感系统的集成电路 392

9.2　生物传感器阵列 394

9.2.1 电化学读出 394

9.2.2　光读出 396

9.3　基于细胞的监测 397

9.3.1　细胞操作 398

9.3.2 带电细胞与IC的接口 400

9.4　发展趋势 409

9.4.1　扫描探针技术 409

9.4.2　基于悬臂梁的传感器 410

9.4.3 生化样品的预处理 410

9.4.4　传感器封装 411

9.5　结束语 411

9.6　参考文献 411

10　CMOS热传感器 416

10.1 引言 417

10.2　热辐射传感器 417

10.2.1 热（非冷却）红外探测器 418

10.2.2 热（非冷却）红外探测器的类型 419

10.3　热转换器 435

10.4　热流量传感器 437

10.5　参考文献 441

11　电路和系统集成 447

11.1 引言 448

11.1.1 接口电路的制造工艺 448

11.1.2　接口电路和系统结构的指标 452

11.2　模拟前端电路 453

11.2.1 模拟前端电路的关键参数 454

11.2.2 电阻式传感器 458

11.2.3 电容式传感器 460

11.2.4 热电、压电和热释电器件 463

11.3　CMOS MEMS/NEMS的电路结构模块 468

11.3.1　模拟滤波器 468

11.3.2　模数转换器（ADC） 472

11.3.3 数模转换器（DAC） 476

11.3.4　数字滤波器 478

11.3.5　校准和数据接口 480

11.3.6 电流与电压参考源 481

11.4　系统集成 484

11.4.1 系统级电路的参数灵敏度和功耗 484

11.4.2　可测性设计 486

11.4.3 微系统验证 488

11.5　实例：单片集成气体探测系统 490

11.5.1　设计流程和版图验证 491

11.5.2 电容式化学传感器 491

11.5.3　量热式传感器 493

11.5.4　质量敏感谐振梁 494

11.5.5 控制器和数字接口 495

11.6　参考文献 496