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第1章 初识微型机械 1

1.1 一个引人入胜的话题 1

1.1.1 从童话中的小人国谈起 1

1.1.2 科幻小说中的微型机械 2

1.1.3 微型科技的曙光 2

1.2 小机械，大机会 3

1.2.1 历史的回顾 3

1.2.2 关于微型机械的起源 4

1.2.3 微型科技为什么如此受欢迎 8

1.2.4 小机械包含着大课题 9

1.3 什么是微机电系统 11

1.4 有关的国际刊物、会议和网站 14

参考文献 17

第2章 怎样制作微型机械(一)——传统的超精密加工方法 18

2.1 概述 18

2.1.1 微型机械加工的特点 18

2.1.2 常用的微型机械加工方法的分类 19

2.2 利用超精密加工工具加工微型器件 20

2.2.1 微细磨削加工 20

2.2.2 微细磨料加工 21

2.2.4 金属丝放电磨削加工(WEDG) 22

2.2.3 微细放电加工(MEDM) 22

2.3 特种加工工艺 25

2.3.1 激光束微细加工技术 25

2.3.2 电子束微细加工技术 27

2.3.3 聚焦离子束(FIB)微细加工技术 28

参考文献 30

第3章 怎样制作微型机械(二)——微型机械中常用的IC工艺 31

3.1 概述 31

3.2 IC工艺的主要步骤 31

3.2.1 晶体生长和晶片制备(Crystal Growth and Wafering) 32

3.2.2 薄膜成形(Film Formation) 33

3.2.3 掺杂工艺(Doping Process) 38

3.2.4 光刻(Lithograph) 40

参考文献 46

第4章 怎样制作微型机械(三)——硅微结构制作工艺 47

4.1 硅的体微机械加工技术 47

4.1.1 各向同性蚀刻(Isotropic Etch) 49

4.1.2 各向同性停蚀技术(Isotropic Etch-Stop) 52

4.1.3 各向异性蚀刻(Anisotropic Etch) 52

4.1.4 各向异性停蚀技术(Anisotropic Etch-Stop) 55

4.1.5 干式蚀刻(Dry Etch) 58

4.1.6 硅的体微型机械加工举例 59

4.2 键合技术(Bonding) 60

4.2.1 硅热键合(Silicon Fusion Bonding) 60

4.2.2 阳极键合(Anodic Bonding) 60

4.2.3 利用键合技术制作微型机械 61

4.3 表面微机械加工技术 62

4.3.1 一层结构层／一层牺牲层的工艺 63

4.3.2 两个牺牲层／两个结构层的工艺 65

4.3.3 表面微加工应注意的问题 66

4.3.4 表面微加工举例 67

4.4 封装 69

参考文献 71

第5章 怎样制作微型机械(四)——一些有发展前景的工艺 72

5.1 LIGA工艺 72

5.1.1 概述 72

5.1.2 同步辐射X射线光刻 72

5.1.3 LIGA 工艺 73

5.2 三维光成形工艺 75

5.3 用隧道显微镜进行微细加工 78

5.3.1 隧道效应与STM 78

5.3.2 其他类型的隧道显微镜 80

5.3.3 用隧道显微镜STM进行微细表面加工 82

参考文献 84

第6章 微型传感器 85

6.1 概述 85

6.1.1 定义 85

6.1.2 传感器工作原理及应遵循的法则和定律 86

6.2 传感器分类和性能指标 87

6.2.1 传感器分类法 87

6.2.2 传感器性能的指标 87

6.3.1 微型压力传感器(Micro Pressure Sensors) 89

6.3 几种典型的微型传感器 89

6.3.2 微型加速度计(Micro Accelerometer) 91

6.3.3 微型陀螺(Micro Gyroscope) 96

6.3.4 微型触觉传感器(Micro Tactile Sensors) 98

6.3.5 微型生物传感器(Micro Biological Sensors) 100

6.3.6 微型图像传感器(Micro Image Sensors) 109

6.3.7 微型谐振式传感器(Micro Resonant Sensors) 110

6.3.8 其他微型传感器 111

6.4 微型传感器的特点 112

参考文献 114

7.1 常用微型执行器的致动机理 115

7.1.1 静电致动的机理 115

第7章 微型执行器 115

7.1.2 压电致动的机理 116

7.1.3 热致动的机理 118

7.1.4 电磁致动的机理 119

7.1.5 形状记忆合金致动的机理 120

7.2 几种典型的微型执行器 122

7.2.1 微马达(Micro Motors) 122

7.2.2 微型阀(Micro Valves) 124

7.2.3 微型泵(Micropump) 128

7.2.4 其他微致动机构 133

7.3 微型执行器的特点和比较 135

参考文献 137

第8章 微结构与微系统 138

8.1 微型构件 138

8.1.1 微型铰链、微型轴承 139

8.1.2 微型弹簧 140

8.1.3 微型继电器、微型保险丝 140

8.1.4 微探针 140

8.1.5 微型人工细胞融合装置 141

8.2.1 微型连杆机构 142

8.2 微型机构 142

8.2.2 微型齿轮机构 143

8.2.3 微型平行四边形机构 143

8.2.4 微型梳状机构 144

8.3 微系统 145

8.3.1 微型数字显示器 145

8.3.2 微光纤开关系统 147

8.3.3 生物芯片实验室 148

8.3.4 纳卫星 149

8.3.5 微型飞行器 150

8.3.6 微型化学反应系统 152

8.3.7 微细作业与装配系统 155

8.3.8 微型机器人 156

参考文献 157

第9章 微型机械的设计和建模 159

9.1 微型机械设计入门 159

9.1.1 微型机械设计的目的 159

9.1.2 设计时需要考虑的几个因素 160

9.2 微型机械的建模 160

9.2.1 建模的概念 160

9.2.2 微型机械建模的级别 161

9.2.3 微型机械分级别建模举例 162

9.3 微结构分析时应考虑的因素 165

9.3.1 大变形 166

9.3.2 复合结构 166

9.3.3 残余应力效应 167

9.3.4 尺度效应 167

9.3.5 耦合效应 169

9.4 微型机械设计实例 170

9.4.1 基本原理 170

9.4.2 关于测量电路 173

9.4.3 一个实例 175

9.5.1 三维建模与仿真(3DM S) 181

9.5 一些与建模相关的网站 181

9.5.2 减缩级建模(Reduced Order Modeling) 182

9.5.3 系统级建模(System Level Modeling) 182

9.5.4 工具包(Tool Suites) 182

9.5.5 其他 183

参考文献 183

第10章 微型机械的检测技术 185

10.1 材料力学特性的检测 185

10.1.1 间接法测量弹性模量 185

10.1.2 直接法测量弹性模量 188

10.1.3 微摩擦力的检测 192

10.2 微结构应力应变的测量 193

10.3.1 频闪法测转速 195

10.3.2 用光纤传感器测转速 195

10.3.3 内藏光伏器件测转速 195

10.3 微执行器运动速度的检测 195

10.3.4 运动参数测试仪 196

10.4 微结构动态参数的识别 196

10.4.1 独特的激励技术 196

10.4.2 各种检测方法 199

10.5 微小几何尺寸测量 204

参考文献 205

11.1.1 微流体理论和技术的研究 207

第11章 展望微型机械的未来 207

11.1 基础研究方面 207

11.1.2 微观摩擦学的研究 209

11.1.3 微结构粘附问题的研究 209

11.1.4 微型机械所用材料及其性能测试与评估 210

11.2 设计与制造工艺 211

11.3 应用方面的进展 212

11.4 人才培养 219

参考文献 224

附录 微型机械常用词汇（英汉对照） 226