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第1章 MEMS和微系统概论 1

1.1MEMS和微系统 1

1.2典型MEMS和微系统产品 6

1.3微加工的发展 10

1.4微系统和微电子 11

1.5微系统设计和制造的多学科性质 12

1.6微系统和小型化 14

1.7微系统在汽车工业中的应用 20

1.8微系统在其他工业中的应用 26

1.8.1在卫生保健工业中的应用 26

1.8.2在航天工业中的应用 27

1.8.3在工业产品中的应用 28

1.8.4在消费产品中的应用 28

1.8.5在电信中的应用 28

1.9微系统的市场 29

习题 30

第2章 微系统的工作原理 32

2.1引言 32

2.2微传感器 32

2.2.1声波传感器 33

2.2.2生物医学传感器和生物传感器 33

2.2.3化学传感器 36

2.2.4光学传感器 38

2.2.5压力传感器 39

2.2.6热传感器 45

2.3微驱动 47

2.3.1热力驱动 48

2.3.2形状记忆合金驱动 48

2.3.3压电晶体驱动 49

2.3.4静电力驱动 50

2.4带有微型致动器的MEMS器件 53

2.4.1微型夹钳 53

2.4.2微型电动机 55

2.4.3微型阀 56

2.4.4微型泵 58

2.5微加速度计 58

2.6微流体器件 61

习题 63

第3章 微系统设计和制造的工程科学 66

3.1引言 66

3.2物质的原子结构 66

3.3离子和离子化 68

3.4物质的分子理论和分子间力 69

3.5半导体掺杂 71

3.6扩散工艺 73

3.7等离子物理 79

3.8电化学 80

3.8.1电解 81

3.8.2电液动力学 82

3.9量子物理学 85

习题 86

第4章 微系统设计中的工程力学 90

4.1概述 90

4.2薄板的静力弯曲 91

4.2.1周边固支圆板的弯曲 93

4.2.2四边固支矩形板的弯曲 95

4.2.3四边固支正方形板的弯曲 96

4.3机械振动 99

4.3.1基本公式 99

4.3.2共振 102

4.3.3微型加速度计 104

4.3.4加速度计的设计理论 105

4.3.5阻尼系数 112

4.3.6谐振式微传感器 119

4.4热力学 123

4.4.1材料机械强度的热效应 124

4.4.2蠕变 124

4.4.3热应力 125

4.5断裂力学 135

4.5.1应力强度因子 135

4.5.2断裂韧度 137

4.5.3界面断裂力学 139

4.6薄膜力学 141

4.7有限元应力分析概述 142

4.7.1原理 142

4.7.2工程应用 143

4.7.3FEA的输入信息 144

4.7.4FEA应力分析的输出信息 144

4.7.5图形输出 145

4.7.6总评 145

习题 146

第5章 热流体工程和微系统设计 151

5.1引言 151

5.2宏观和介观流体力学基础回顾 151

5.2.1流体的粘性 152

5.2.2流线和流管 154

5.2.3控制体和控制面 154

5.2.4流动模式和雷诺数 154

5.3连续介质流体动力学基本方程 154

5.3.1连续性方程 154

5.3.2动量方程 156

5.3.3运动方程 159

5.4圆管中的层流流动 161

5.5计算流体动力学 163

5.6微管道中不可压缩流体的流动 165

5.6.1表面张力 165

5.6.2毛细效应 167

5.6.3微泵 168

5.7亚微米和纳米尺度的流体流动 169

5.7.1稀薄气体 170

5.7.2努森数和马赫数 170

5.7.3微气体流动建模 171

5.8固体中的热传导概述 173

5.8.1热传导的一般原理 173

5.8.2热传导的傅立叶定律 174

5.8.3热传导方程 175

5.8.4牛顿冷却定律 176

5.8.5固体-流体相互作用 177

5.8.6边界条件 178

5.9多层薄膜中的热传导 182

5.10亚微米尺度固体中的热传导 187

5.10.1薄膜的热导率 189

5.10.2薄膜的热传导方程 190

习题 191

第6章 微型化中的尺度效应 197

6.1尺度的介绍 197

6.2几何结构学中的尺度 197

6.3刚体动力学中的尺度 200

6.3.1动力中的尺度 200

6.3.2Trimmer力尺度向量 200

6.4静电力中的尺度 202

6.5电磁力中的尺度 204

6.6电学中的尺度 206

6.7流体力学中的尺度 207

6.8热传递中的尺度 210

6.8.1热传导中的尺度 210

6.8.2热对流中的尺度 211

习题 213

第7章 用于MEMS和微系统的材料 215

7.1引言 215

7.2衬底和晶片 215

7.3活性衬底材料 216

7.4作为衬底材料的硅 217

7.4.1用于MEMS的理想衬底 217

7.4.2单晶硅和晶片 217

7.4.3晶体结构 220

7.4.4密勒指数 222

7.4.5硅的力学性能 224

7.5硅化合物 226

7.5.1二氧化硅 226

7.5.2碳化硅 227

7.5.3氮化硅 227

7.5.4多晶硅 228

7.6硅压电电阻 229

7.7砷化镓 233

7.8石英 234

7.9压电晶体 235

7.10聚合物 240

7.10.1作为工业材料的聚合物 240

7.10.2用于MEMS和微系统的聚合物 241

7.10.3导电聚合物 241

7.10.4Langmuir-Blodgett（LB）膜 242

7.11封装材料 243

习题 245

第8章 微系统加工工艺 249

8.1引言 249

8.2光刻 249

8.2.1概述 249

8.2.2光刻胶及其应用 251

8.2.3光源 252

8.2.4光刻胶的处理 252

8.2.5光刻胶的去除和烘干 253

8.3离子注入 253

8.4扩散 256

8.5氧化 258

8.5.1热氧化 258

8.5.2二氧化硅 259

8.5.3热氧化的速率 259

8.5.4由颜色来确定氧化层厚度 263

8.6化学气相沉积 263

8.6.1CVD的工作原理 264

8.6.2CVD中的化学反应 264

8.6.3沉积的速率 265

8.6.4增强CVD 271

8.7物理气相沉积——溅射 273

8.8外延沉积 274

8.9腐蚀 276

8.9.1化学腐蚀 277

8.9.2等离子刻蚀 277

8.10微加工工艺小结 278

习题 279

第9章 微制造综述 284

9.1引言 284

9.2体硅微制造 284

9.2.1腐蚀技术概述 285

9.2.2各向同性腐蚀和各向异性腐蚀 285

9.2.3湿法腐蚀 286

9.2.4自停止腐蚀 288

9.2.5干法腐蚀 289

9.2.6干法腐蚀与湿法腐蚀的比较 293

9.3表面微加工 293

9.3.1概述 293

9.3.2一般过程 294

9.3.3表面微加工中的力学问题 296

9.4LIGA工艺 298

9.4.1LIGA工艺概述 298

9.4.2基底和光刻胶的材料 300

9.4.3电镀 301

9.4.4SLIGA工艺 301

9.5微制造小结 302

9.5.1体硅微制造 302

9.5.2表面微加工 302

9.5.3LIGA工艺 302

习题 302

第10章 微系统设计 307

10.1引言 307

10.2设计根据 308

10.2.1设计约束 309

10.2.2材料选择 310

10.2.3制造工艺选择 311

10.2.4信号转换选择 312

10.2.5机电系统 314

10.2.6封装 315

10.3工艺设计 315

10.3.1光刻 315

10.3.2薄膜加工 316

10.3.3结构成型 318

10.4力学设计 318

10.4.1热力学负载 318

10.4.2热力学应力分析 319

10.4.3动力学分析 319

10.4.4界面破坏分析 324

10.5有限元方法力学设计 324

10.5.1有限元方程 324

10.5.2微加工工艺仿真 329

10.6微压力传感器硅芯片的设计 331

10.7微流体网络系统的设计 335

10.7.1微管道中的流动阻力 336

10.7.2毛细管电泳网络系统 339

10.7.3毛细管电泳网络系统的数学模型 340

10.8设计实例：毛细管电泳网络系统 341

10.9计算机辅助设计 346

10.9.1为什么用计算机辅助设计 346

10.9.2微系统计算机辅助设计程序包是什么 346

10.9.3如何选择计算机辅助设计程序包 349

10.9.4计算机辅助设计实例 349

习题 354

第11章 微系统封装 359

11.1引言 359

11.2微电子机械封装概述 360

11.3微系统封装 362

11.3.1封装设计的一般考虑 363

11.3.2微系统封装的三个等级 363

11.3.3芯片级封装 363

11.3.4器件级封装 365

11.3.5系统级封装 365

11.4微系统封装的接口问题 366

11.5主要的封装技术 367

11.5.1芯片准备 367

11.5.2表面键合 368

11.5.3引线键合 372

11.5.4密封 374

11.6三维封装 376

11.7微系统的装配 377

11.8封装材料的选择 381

11.9信号转换和传递 383

11.9.1微系统中的典型电信号 383

11.9.2阻抗的测量 383

11.9.3压力传感器中的信号转换和传递 384

11.9.4容抗的测量 386

11.10设计实例：压力传感器的封装 387

习题 391

参考文献 394