微传感器 MEMS与智能器件PDF电子书下载

1 引言 1

1.1 微电子学的发展史 1

1.2　微传感器的进展 2

1.3 微电子机械系统的进展 5

1.4　微机械的出现 7

参考文献 8

2　电子材料与加工技术 10

2.1 引言 10

2.2 电子材料及其沉积 10

2.2.1 热氧化膜的形成 11

2.2.2 二氧化硅和氮化硅沉积 12

2.2.3 多晶硅薄膜沉积 14

2.3 图形转移 15

2.3.1 光刻工艺 15

2.3.2　掩模形成 17

2.3.3 光刻胶 18

2.3.4　剥离技术 20

2.4 电子材料的腐蚀 21

2.4.1 湿法化学腐蚀 21

2.4.2 干法腐蚀 22

2.5 半导体中的掺杂 25

2.5.1 扩散 27

2.5.2　离子注入 28

2.6　结束语 30

参考文献 30

3　微电子机械系统用材料及其制备 31

3.1 概述 31

3.1.1 原子结构与周期表 31

3.1.2　原子键合 37

3.1.3 晶态 39

3.2　金属 43

3.2.1　物理和化学性质 43

3.2.2　金属化 45

3.3　半导体 46

3.3.1 半导体：电学和化学性质 46

3.3.2　半导体：生长和沉积 48

3.4 陶瓷、聚合物和复合材料 51

参考文献 53

4　标准微电子工艺 54

4.1 引言 54

4.2 晶片制作 55

4.2.1 晶体生长 55

4.2.2　晶片制作 57

4.2.3　外延沉积 58

4.3 单片加工 61

4.3.1　双极加工工艺 63

4.3.2　双极结型晶体管的性能 70

4.3.3　金属氧化物半导体加工工艺 77

4.3.4　场效应晶体管性能 81

4.3.5　硅—绝缘体互补金属氧化物半导体加工工艺 85

4.4　单片安装 86

4.4.1 芯片和引线焊接 88

4.4.2　载带自动焊接 89

4.4.3　倒装载带自动焊接 90

4.4.4　倒装焊安装 90

4.5 印刷电路板技术 91

4.5.1　硬质电路板 91

4.5.2　柔性电路板 93

4.5.3　塑料铸模电路板 94

4.6 混合电路和多芯片组件技术 95

4.6.1　厚膜 95

4.6.2　多芯片组件 96

4.6.3　球栅阵列 99

4.7 可编程器件和专用集成电路 99

参考文献 103

5　硅微机械加工：体加工技术 105

5.1 引言 105

5.2 各向同性腐蚀及定向湿法腐蚀 106

5.3　腐蚀停止技术 112

5.3.1　掺杂选择腐蚀（DSE）技术 112

5.3.2　通常的偏压腐蚀或电化学腐蚀停止技术 113

5.3.3　n型硅的脉冲电压阳极化选择腐蚀 117

5.3.4　光伏电化学腐蚀停止技术 117

5.4　干法腐蚀 120

5.5 氧化物埋层工艺 123

5.6　硅熔融键合 123

5.6.1　硅片熔融键合 124

5.6.2　退火处理 124

5.6.3　硅基材料的熔融键合 125

5.7 阳极键合 125

5.8　结束语 129

参考文献 129

6　硅微机械加工：表面加工技术 131

6.1 引言 131

6.2　牺牲层技术 131

6.2.1 简单工艺 132

6.2.2 多结构层的牺牲层技术 137

6.3 牺牲层技术中的材料系 140

6.3.1 多晶硅和二氧化硅 141

6.3.2　聚酰亚胺和铝 141

6.3.3　氮化硅／多晶硅和钨／二氧化硅 142

6.4 等离子体腐蚀表面微机械加工 143

6.5 集成电路工艺与各向异性湿法腐蚀的结合 147

6.6 同时采用体和表面微机械加工的工艺 150

6.7　表面微机械加工中的黏附问题 155

6.8 表面与体微机械加工的比较 156

参考文献 157

7　用于MEMS的微立体光刻技术 158

7.1 引言 158

7.1.1　光聚合作用 159

7.1.2　立体光刻装置 162

7.2　微立体光刻 164

7.3　扫描法 165

7.3.1　传统的微立体光刻工艺 166

7.3.2 集中固化工艺 166

7.3.3 批量集中固化工艺 169

7.3.4　超集中固化工艺 171

7.4　双光子微立体光刻工艺 173

7.5 其他微立体光刻工艺 176

7.6 投影法 177

7.6.1　掩模投影微立体光刻工艺 178

7.6.2　动态掩模投影微立体光刻工艺 180

7.7 与硅、金属和陶瓷结合的聚合物MEMS结构 183

7.7.1 陶瓷微立体光刻工艺 183

7.7.2　金属微结构 185

7.7.3　金属—聚合物微结构 189

7.7.4　局部电化学沉积 191

7.8　硅和聚合物组合结构 193

7.8.1 采用光成形工艺制作的组合结构 194

7.8.2　与厚膜光刻结合的微立体光刻工艺 195

7.8.3　AMANDA工艺 197

7.9　应用 199

7.9.1 采用微立体光刻工艺制作的微执行器 199

7.9.2　微型浓缩器 201

7.9.3　采用AMANDA工艺制作的微型器件 203

7.10　结束语 207

参考文献 208

8　微传感器 211

8.1 引言 211

8.2　热传感器 214

8.2.1 电阻式温度微传感器 215

8.2.2　微型热电偶 215

8.2.3　热敏二极管和热敏晶体管 219

8.2.4　声表面波温度传感器 222

8.3　辐射传感器 223

8.3.1　光导器件 224

8.3.2　光伏器件 226

8.3.3　热电器件 227

8.3.4　微型天线 229

8.4　力学量传感器 230

8.4.1　概述 230

8.4.2　微机械部件及静态性能 231

8.4.3　微移动部件及动态性能 233

8.4.4　微机械结构 236

8.4.5　压力微传感器 239

8.4.6　加速度微传感器 245

8.4.7　微陀螺仪 247

8.4.8　流量微传感器 249

8.5　磁传感器 252

8.5.1　磁电微传感器 253

8.5.2　磁阻器件 255

8.5.3　磁敏二极管和磁敏晶体管 256

8.5.4 声学器件和超导量子干涉器件 258

8.6 生物（化学）传感器 261

8.6.1 电导计式器件 263

8.6.2　电位计式器件 272

8.6.3　其他 276

8.7　结束语 280

参考文献 280

9　声表面波器件导论 286

9.1 引言 286

9.2 声表面波器件的发展和历史 286

9.3　压电效应 288

9.3.1 声表面波器件中的叉指换能器 289

9.4　声波 290

9.4.1　瑞利声表面波 290

9.4.2　剪切水平声波 292

9.4.3 乐甫声表面波 293

9.5　结束语 295

参考文献 297

10　固体中的声表面波 300

10.1　引言 300

10.2　声波传播 301

10.3　声波传播表示法 301

10.4　声学概述 302

10.4.1　粒子位移和应变 302

10.4.2　应力 303

10.4.3　压电效应 304

10.5 声波传播 305

10.5.1 压电固体中的均匀平面波：准静态近似法 305

10.5.2 剪切水平模式或声板波模式 308

10.5.3 乐甫波模式 308

10.6　结束语 313

参考文献 313

11　叉指换能器（IDT）式微传感器参数测量 315

11.1 叉指换能器（IDT）式声表面波（SAW）传感器仪表 315

11.2　声波传感器仪表 315

引言 315

11.3 网路分析仪和矢量电压表 316

11.4 模拟（振幅）测量系统 317

11.5 相位测量系统 317

11.6 频率测量系统 318

11.7 声波传感器输出频率转换 319

11.8　测量装置 320

11.9　校准 321

参考文献 322

12　叉指换能器（IDT）式微传感器的制作 324

12.1　引言 324

12.2 声表面波（SAW）叉指换能器（IDT）式微传感器的制作 325

12.2.1　掩模制作 325

12.2.2　晶片的制备 325

12.2.3　金属化 326

12.2.4　光刻 326

12.2.5　晶片的切割 329

12.3 波导层的沉积 329

12.3.1 引言 329

12.3.2 四甲基硅烷等离子体增强化学汽相沉积（TMS PECVD）工艺和条件 330

12.4　结束语 333

参考文献 334

13　叉指换能器（IDT）式微传感器 335

13.1 引言 335

13.2 利用耦合模理论建立的声表面波器件的模型 335

13.3 无线声表面波微传感器 339

13.4　应用 342

13.4.1 应变传感器 342

13.4.2　温度传感器 345

13.4.3　压力传感器 349

13.4.4　湿度传感器 350

13.4.5　声表面波陀螺仪 353

13.5　结束语 366

参考文献 366

14　微电子机械系统—叉指换能器式（MEMS-IDT）微传感器 369

14.1 引言 369

14.2　微电子机械系统—叉指换能器式（MEMS-IDT）加速度传感器的原理 370

14.3 微电子机械系统—叉指换能器式（MEMS-IDT）加速度传感器的制作 371

14.3.1 声表面波（SAW）器件的制作 373

14.3.2　声表面波（SAW）器件与质量块的集成 373

14.4　微电子机械系统—叉指换能器式（MEMS-IDT）加速度传感器的测试 374

14.4.1 测量装置 374

14.4.2　校准程序 375

14.4.3 时域测量 376

14.4.4　试验 377

14.4.5　质量块的制作 379

14.5　无线读出 382

14.6 混合加速度传感器和陀螺仪 384

14.7　结束语 385

参考文献 385

15　智能传感器和微电子机械系统 387

15.1 引言 387

15.2　智能传感器 390

15.3 微电子机械系统（MEMS）器件 402

15.4　结束语 410

参考文献 410

附录 413

附录A 缩略语表 413

附录B 符号与词头表 418

附录C 重要术语表 423

附录D　基本常数 425

附录E 单位换算因数 426

附录F 电子与MEMS金属材料性能 427

附录G 电子与MEMS半导体材料性能 428

附录H 电子与MEMS陶瓷和聚合物材料性能 429

附录I 复互反关系与扰动分析 430

附录J 声表面波器件耦合模建模参数 437

附录K　推荐读物 439

附录L 有关网址 444

附录M　制作实例表 447

索引 448