微系统设计与制造PDF电子书下载

1　微系统概述 1

1.1 引言 1

1.1.1　MEMS和微系统分类 2

1.1.2　微系统的特点 3

1.1.3　MEMS的产生与发展 5

1.1.4　MEMS的产业状况 8

1.2　MEMS的设计 9

1.2.1　MEMS设计 9

1.2.2　建模、模拟与数值计算 10

1.3　MEMS制造 12

2　微系统力学基础 16

2.1　应力与应变 16

2.1.1　应力与应力状态 16

2.1.2　应变与应变状态 19

2.2　弹性体基本方程 21

2.2.1　本构方程 21

2.2.2　运动学方程 23

2.2.3　动力学方程 23

2.3 弹性梁 24

2.3.1　梁的基本方程 24

2.3.2　悬臂梁 25

2.3.3　双端支承梁 28

2.3.4　折线弹性支承梁 30

2.4　能量原理与变分法 32

2.4.1 弹性能 32

2.4.2　虚功原理 33

2.4.3　能量原理 35

2.4.4　变分法 37

2.5　薄板结构 43

2.5.1　经典薄板理论 44

2.5.2　矩形薄板 47

2.5.3 圆形薄板 51

2.6 动力学 52

2.6.1　能量法 52

2.6.2　瑞利法 53

2.7　流体力学 53

2.7.1　流体力学基本概念 54

2.7.2　流体静力学 58

2.7.3　流体动力学 58

2.7.4　流体阻尼 61

3　微系统制造技术 72

3.1　集成电路工艺基础 72

3.1.1　集成电路与MEMS的材料 74

3.1.2　光刻技术 75

3.1.3　薄膜淀积 81

3.1.4　掺杂 86

3.1.5　刻蚀 88

3.1.6　化学机械抛光 92

3.2　体微加工技术 93

3.2.1　湿法刻蚀 94

3.2.2　干法深刻蚀 103

3.3　表面微加工技术 110

3.3.1　表面微加工流程 110

3.3.2　薄膜的力学性质 115

3.3.3　表面工艺的应用 121

3.4　特殊MEMS加工技术 123

3.4.1　键合 123

3.4.2　LIGA技术 126

3.4.3 电沉积 127

3.5　高深宽比结构的制造 128

3.5.1　HARPSS 128

3.5.2　SCREAM 132

3.5.3　DRIE+SOI 133

3.5.4　Hexsil 136

3.5.5　硅片溶解法 137

3.5.6　EFAB 138

3.6　MEMS与IC的集成 138

3.6.1　MEMS与CMOS的集成方法 139

3.6.2　iMEMS集成技术 141

3.6.3　Summit 142

3.6.4　CMOS-MEMS 143

3.6.5 SiGe工艺 145

3.6.6　MEMS代工制造 146

3.7　MEMS封装技术 147

3.7.1　MEMS封装的特殊性 148

3.7.2　连线与封装方式 149

3.7.3　传感器的封装 151

4　微型传感器 160

4.1　微型传感器的敏感机理 160

4.1.1　压阻式传感器 161

4.1.2　电容式传感器 168

4.1.3　压电式传感器 171

4.1.4　谐振式传感器 174

4.1.5　隧道效应 175

4.2　压力传感器 177

4.2.1　压力传感器的建模 177

4.2.2　压阻式压力传感器 179

4.2.3　电容式压力传感器 182

4.2.4　谐振式压力传感器 185

4.3　麦克风 189

4.3.1　麦克风的建模 190

4.3.2　驻极体式麦克风 193

4.3.3　电容压缩式麦克风 194

4.3.4　集成麦克风 198

4.4　加速度传感器 201

4.4.1　加速度传感器的建模 202

4.4.2　压阻式加速度传感器 205

4.4.3 电容加速度传感器 206

4.4.4　压电式加速度传感器 212

4.4.5　隧穿加速度传感器 213

4.4.6　谐振式加速度传感器 216

4.4.7　热传导加速度传感器 218

4.4.8　三轴加速度传感器 220

4.4.9　加速度传感器的制造 222

4.5　陀螺 225

4.5.1　陀螺的原理 226

4.5.2　振动陀螺的动态模型 227

4.5.3　陀螺的结构与工作模式 230

4.5.4　频率匹配与振动模式解耦 241

4.5.5　陀螺的微加工技术 244

4.6　流量传感器 247

4.6.1　机械式流量传感器 247

4.6.2　热式流量传感器 248

5　微型执行器 264

5.1　静电执行器 265

5.1.1　平板电容执行器 265

5.1.2　梳状叉指电极执行器 274

5.1.3　静电马达 282

5.1.4　直线步进执行器 284

5.2　压电执行器 288

5.2.1　线性压电执行器 289

5.2.2　弯曲压电执行器 291

5.3　磁执行器 294

5.3.1　微型磁执行器的力和能量 296

5.3.2　线性执行器 297

5.3.3　扭转执行器 300

5.4　电热执行器 301

5.4.1 双膜片 303

5.4.2　热气驱动 305

5.5　其他执行器 305

5.5.1 光执行器 305

5.5.2　气动／压力执行器 306

5.6　微泵 306

5.6.1　往复位移微泵 307

5.6.2　蠕动微泵 312

5.6.3　其他微泵 313

6 射频微系统（RF MEMS） 323

6.1 RF MEMS概述 323

6.1.1　RF MEMS器件 324

6.1.2 基于RF MEMS的收发器前端结构 325

6.2　MEMS开关 327

6.2.1　开关的类型 327

6.2.2　MEMS开关的静态特性 333

6.2.3　开关的动态特性 337

6.2.4　开关的电磁特性 338

6.2.5　MEMS开关的制造 340

6.3　微机械谐振器 343

6.3.1　静电换能谐振器 345

6.3.2　梳状谐振器 347

6.3.3　梁式谐振器 352

6.3.4　圆形谐振器 360

6.3.5　薄膜体声波谐振器 365

6.3.6　谐振器的制造 366

6.4　基于谐振器的信号处理器 368

6.4.1　低损耗窄带HF和MF滤波器 369

6.4.2　混频滤波器 372

6.4.3　本机振荡器 376

6.5　可调电容、电感与压控振荡器 378

6.5.1　可调电容 378

6.5.2 电感 383

6.5.3　压控振荡器 387

6.6　微波毫米波MEMS 389

6.6.1　微带线与共面波导 389

6.6.2　微波谐振器 391

6.6.3　三维集成与封装 392

6.7　MEMS技术在天线中的应用 394

6.7.1　移相器与相控天线 394

6.7.2　用MEMS技术提高天线性能 395

7　光学微系统（MOEMS） 407

7.1　MEMS材料与结构的光学性质 408

7.2　光通信器件 410

7.2.1　MEMS光开关 410

7.2.2　MEMS微镜的设计 433

7.2.3　微镜的制造 447

7.2.4　可变光学衰减器 453

7.3　显示器件 458

7.3.1　反射微镜DMD 458

7.3.2　光栅光阀GLV 464

7.3.3　薄膜微镜阵列TMA 468

7.4　光学平台 470

7.4.1 扫描微镜 470

7.4.2　菲涅耳微透镜 472

7.5　可调激光器 473

8　生物医学微系统（BioMEMS） 482

8.1　药物释放 483

8.1.1　生物胶囊和微粒 484

8.1.2　微针 490

8.1.3　可植入微系统 504

8.2　疾病诊断与治疗 506

8.2.1　传感器 506

8.2.2　执行器 507

8.3　神经探针 508

8.3.1 高密度神经探针阵列 508

8.3.2　无线接口可植入神经探针 511

8.4　组织工程 512

8.4.1　支架制备 513

8.4.2　细胞培养 515

8.4.3　细胞培养和图形化的应用 516

8.5　细胞与分子操作 519

9　微流体与芯片实验室 529

9.1　概述 530

9.2　微流体的特性 531

9.3　LOC制造技术 532

9.3.1　硅和玻璃 533

9.3.2　高分子聚合物 535

9.3.3　软光刻母版和弹性印章 537

9.3.4　软光刻图形复制 540

9.3.5　软光刻制造微流体管道 548

9.4　微流体的驱动与输运 551

9.4.1 压力驱动 552

9.4.2　电动力驱动 556

9.5　LOC与微流体的基本操作 566

9.5.1　试样预处理 566

9.5.2　混合 572

9.5.3　分离 581

9.5.4　DNA放大——PCR 602

9.5.5　集成试样处理系统 604

9.6　检测技术 606

9.6.1　光学检测 606

9.6.2　电化学检测 610

9.6.3　质谱检测 616

9.7　LOC的应用 617

9.7.1　细胞生物学 617

9.7.2　微流体DNA芯片 621

9.7.3　蛋白质分析 630