微传感器与微执行器全书PDF电子书下载

第一章 概述 1

1.微机械加工器件简介 1

2.什么是换能器 1

3.传感器与执行器系统的组成 2

4.什么是微传感器和微执行器 3

5.微机械加工在什么情况下才有意义 3

5.1尺度与性能 4

5.2降低成本问题 4

5.3微器件和微系统的复杂度 5

6.要考虑的问题 6

7.微传感器与微执行器的市场 7

7.1作为“使能技术”的微机械加工 7

7.2 市场会爆发性地增长吗 8

8.信息来源 8

8.1在线资源 8

8.2微传感器与微执行器的会议 9

8.3参考书与论文收集 10

8.4杂志 10

8.5学位论文 10

8.6专利 10

9.结论 10

参考文献 11

第二章 微机械加工技术 13

1.微机械加工技术的能力与局限性 13

2.微机械加工材料 15

2.1衬底 15

2.2掺杂膜和掺杂材料 15

3.微机械术语 16

4.普通半导体的一般特性 17

4.1硅的机械特性 18

4.2硅与其他半导体材料的天然氧化物 18

4.3典型的硅片 19

5.体（去除）加工 20

5.1硅湿法腐蚀 21

5.1.1各向同性湿法腐蚀 21

HF/HNO3／乙酸（HNA） 22

5.1.2各向异性湿法腐蚀 23

碱性氢氧化物腐蚀剂 26

氢氧化铵 28

四甲基氢氧化铵（TMAH） 29

乙二胺邻苯二酚（EDP） 31

联氨 32

氨基棓酸 32

湿法腐蚀中的超声波搅拌 33

掺杂选择腐蚀剂的腐蚀停止层 33

5.2砷化镓及其相关Ⅲ-V族化合物的湿法腐蚀 35

5.3湿法腐蚀的电化学调节 36

5.3.1 p-n结腐蚀停止方法 37

结腐蚀停止用于TMAH和标准CMOS 38

5.3.2光子注入电化学腐蚀 38

5.4多孔硅的形成 39

5.5其他湿法体腐蚀的技术及材料 40

5.5.1多孔铝的各向异性湿法腐蚀 41

5.5.2石英的各向异性湿法腐蚀 41

5.5.3辅助离子注入湿法腐蚀 43

5.5.4离子轨迹辅助损伤湿法腐蚀 43

5.5.5单侧晶片腐蚀 43

5.5.6通用湿法腐蚀概念 45

5.6气相干法腐蚀 45

5.6.1二氟化氙腐蚀 45

5.6.2卤间化合物腐蚀的化学性质 47

5.6.3其他气相腐蚀方法 47

5.7等离子体／反应离子腐蚀 47

5.7.1等离子腐蚀中依赖于掺杂物的各向同性 49

5.7.2高深宽比干法腐蚀方法 50

深度反应离子腐蚀（DRIE） 50

低温干法腐蚀 50

磁控干法腐蚀 51

热辅助离子束腐蚀法 51

5.7.3可调整各向异性腐蚀工艺 51

非硅半导体的干法腐蚀 53

5.8激光驱动体腐蚀工艺 53

5.8.1激光穿孔 53

5.8.2激光退火技术 54

5.8.3激光驱动腐蚀法 54

6.“表面”（添加）工艺 56

6.1薄膜工艺 56

6.1.1微机械加工中的非金属薄膜 56

二氧化硅 57

氮化硅 59

碳化硅 60

多晶态金刚石 61

多晶硅 61

其他的半导体和薄膜转换器 62

有机物 62

溅射无机薄膜 62

旋压非金属薄膜 63

6.1.2非金属薄膜的湿法腐蚀 63

6.1.3非金属薄膜的干法腐蚀 64

6.1.4金属薄膜的微机械加工 65

电热蒸镀 65

电子束蒸镀 65

溅射沉积 66

蒸镀与溅射的比较 67

台阶覆盖能力 67

阴影效应 67

薄膜的成分 68

金属的化学气相沉积 68

选择性金属CVD 69

金属黏附层 69

6.1.5金属薄膜的湿法腐蚀 69

6.1.6金属薄膜的干法腐蚀 70

6.1.7搬移图形化工艺 70

6.2激光驱动沉积 72

6.3电沉积（电镀） 73

6.3.1电沉积原理 75

6.3.2直流电镀 76

6.3.3脉冲式电镀 76

6.3.4 电镀中的搅拌 77

6.3.5 “黑”金属层 77

6.3.6 “无电极”沉积 78

6.3.7镀膜模板 79

自短路电镀图形 80

“撕去”电镀结构 82

光刻镀模 82

同步加速器的曝光模板：LIGA艺 83

RIE或等离子腐蚀模板 84

6.3.8无模板局部电镀 84

6.4选择性外延生长 85

7.键合操作 86

7.1阳极键合 86

7.1.1用沉积玻璃的阳极键合 87

7.2硅熔融键合 88

7.3其他键合技术 88

7.4键合复合工艺 88

8.牺牲层工艺 91

8.1在湿分离时的黏附问题 91

8.1.1在湿法腐蚀分离时的防粘接问题 92

相变分离方法 92

特定几何形状／特定工艺分离方法 94

表面处理分离方法 94

8.2牺牲层工艺的例子 94

8.2.1牺牲光刻电铸成型工艺（SLIGA） 95

8.2.2 SIMOX牺牲层 95

8.2.3气态牺牲层腐蚀 96

8.2.4等离子体腐蚀有机牺牲层 96

8.3模板复制 96

8.3.1用微机械模板浇注成型 96

8.3.2电镀模板复制 97

8.3.3基于CVD（化学气相沉积）的模板复制 98

8.3.4陶瓷浆模板工艺 99

8.3.5衬底模板上面的预成型 99

9.密封空腔的形成 100

密封空腔的消气剂 101

10.表面修饰 101

11.印刷与立体光刻 102

11.1丝网印刷技术 103

11.2转印技术 103

11.3用于印刷的粉末填充聚合物 103

11.4三维光刻 104

11.5转印立体生成技术 104

12.其他微机械技术 105

12.1尖顶的形成 105

12.1.1自封闭掩模技术 105

12.1.2等离子体微掩模 106

12.1.3湿腐蚀 106

12.2化学－机械抛光和平面化 106

12.3放电加工 108

12.4研磨粉加工 108

12.5精密机械加工 108

12.6扫描探针加工 109

12.7热迁移 109

12.8光敏玻璃微机械加工 109

12.9聚焦离子束微机械加工 110

参考文献 110

第三章 力学传感器与执行器 132

1.引言 132

2.基本力学 132

2.1轴向应力和应变 132

2.2剪应力和剪应变 133

2.3泊松比 134

2.4常用微结构挠度方程 135

2.4.1静态梁挠度方程 136

2.4.2静态转矩方程 137

2.4.3静态平板方程 137

2.5动态特性 137

2.6热噪声 140

3.材料的力学特性 141

3.1材料失效 141

3.2通用材料问题 141

3.3薄膜的机械特性 142

3.3.1应力测量 142

均布应力 142

非均布应力（应力梯度） 143

3.3.2其他力学性能的测量 145

直接测量 145

间接测量 146

4.基本的机械装置和结构 146

4.1平面旋转机械装置 147

4.2平面外微机械装置 149

4.3结构部件 150

4.4双稳态机械器件 151

4.5 自组装 152

5.力学传感器 152

5.1力传感器件 153

5.1.1压阻和压电式应变传感器 153

金属应变片 155

半导体应变计 155

5.1.2压结效应 156

5.1.3压电效应 156

5.1.4电容式传感器 158

5.1.5隧道式探测器 160

5.2微机械力学传感器 161

5.2.1微机械应变计 161

植入式应变计 161

微型应变穿透探针 161

单心室应变计 162

谐振应变计 162

5.2.2加速度计 163

加速度计基本概念 164

力平衡加速度计的概念 165

应变式加速度计 165

电容加速度计 168

力平衡电容加速度计 169

压电加速度计 171

隧道型加速度计 172

带锁存的加速度计 173

加速度计开关阵列 173

多轴加速度计 174

5.2.3微机械陀螺 175

5.2.4压力传感器 179

压力测试单元 179

压阻式压力传感器 181

集成的压阻式压力传感器 183

表面微机械压阻式压力传感器 184

电容性压力传感器 185

压力开关 188

共振压力传感器 188

5.2.5传声器 189

压阻传声器 190

电容传声器 190

压电传声器 192

可动栅极FET传声器 193

5.2.6触觉传感器 194

压电式触觉传感器 194

压阻式触觉传感器 194

电容式触觉传感器 196

光学触觉传感器 196

其他触觉传感器 197

5.2.7生物学力传感器 197

生物学加速度计 197

生物触觉式传感器 197

生物声学式传感器 198

6.力学执行器 200

6.1执行器机理 200

6.1.1静电激励 201

静电悬臂执行器 202

扭转静电执行器 204

静电梳状驱动 204

静电执行器的反馈稳定 205

静电旋转微型马达 206

静电平动微型马达 207

静电微夹具 209

静电继电器及开关 210

6.1.2热执行器 210

固体热膨胀 210

双晶片热执行器 210

热阵列执行器 211

电解质热损失和热双晶片 213

体积膨胀和相变执行器 214

6.1.3形状记忆合金执行器 216

6.1.4气动／水力激励 216

6.1.5压电激励 218

6.1.6磁执行器 219

6.1.7化学执行器 219

6.1.8混合执行器结构 219

6.1.9生物执行器 219

细胞骨架和微导管 220

纤毛和鞭毛 221

肌肉 222

7.机械电路元件 224

7.1机械谐振器 224

7.1.1悬臂梁谐振器 224

7.1.2侧面谐振器 229

7.1.3膜谐振器 231

7.2机械继电器和RF开关 232

7.2.1通用继电器 232

静电驱动继电器 232

磁驱动继电器 235

7.2.2射频开关和开关电路 237

参考文献 240

第四章 光学传感器与执行器 262

1.概述 262

1.1光谱 262

1.2光学传感器与执行器相关计量单位 263

1.3黑体辐射 264

2.光学传感器 265

2.1光学传感器的类型 265

2.1.1光学探测基本原理 265

2.1.2直接光电传感器 266

2.1.3间接光学传感器 266

2.1.4光电探测器的主要参数 266

2.2直接光电传感器 268

2.2.1半导体中的光吸收 269

2.2.2光学传感器的带结构 270

2.2.3量子效率 271

2.2.4光电发射传感器 272

2.2.5光导传感器 276

光电导传感器的增益 276

光电导传感器小信号模型 278

本征光电导器件 279

非本征光电导器件 281

硫化镉和硒化镉 282

集成CdSe光电导传感器阵列 284

硫化铅和硒化铅 285

碲镉汞 285

普通半导体 286

金属－半导体－金属光电传感器 286

2.2.6结型光电检测器 287

光电二极管的设计问题 289

光电工作模式 290

光导工作模式 290

光电二极管小信号模型 292

光电二极管与标准有源电路的集成工艺 292

紫外线可用光电二极管 293

P-I-N光电二极管 294

金属半导体（肖特基）光电二极管 294

雪崩光电二极管 294

光电晶体管 296

光电达林顿晶体管 296

太阳能电池 297

不规则的光电效应 298

2.2.7电容式光电传感器 298

电荷耦合成像传感器 299

MOS电容式紫外线传感器 300

2.3间接光学传感器 301

2.3.1热电式探测器 302

电喷镀PVDF热电传感器 304

2.3.2辐射热测量器 305

非制冷辐射热测量器 306

超导辐射热测量器 307

2.3.3热电偶 309

2.3.4红外线指示器 313

基于隧道的微机械红外传感器 314

微机械电容红外传感器 316

2.3.5磷和其他“间接”光传感器 317

2.3.6间接光微传感器的比较 317

2.4生物光学传感器 318

2.4.1人类视觉转导结构 321

2.4.2基本视觉转导机理 323

3.光执行器 323

3.1光发射 323

3.1.1发光二极管 323

3.1.2硅发光二极管 326

3.1.3有机发光二极管 326

3.1.4气体和固体激光器 327

微机械固态激光器 329

3.1.5微机械白炽灯 330

3.1.6等离子气体光源 332

3.1.7场致发光源 332

3.1.8场致发射显示 332

3.1.9生物发光（荧光） 333

3.2光调制器 334

3.2.1液晶显示 334

向列相液晶 334

动态散射液晶 336

移植硅有源LC显示 337

胆甾醇型液晶 337

3.2.2反射微机械光调制器 337

静电反射光调制器 339

威斯丁豪斯镜矩阵管 339

硅悬臂梁光调制器 340

扭转型硅静电光调制器 342

扭转铝静电光调制器 343

多晶硅扭转光调制器 346

可变形光栅光调制器 346

静电型薄膜光调制器 347

磁偏转光调制器 349

电磁／静电型光调制器 350

3.2.3透射型微力学光调制器 352

3.2.4其他光调制器 352

4.微机械光学结构 354

4.1微机械光纤耦合器 354

4.2微机械反射器件 355

4.2.1固定微镜 355

4.2.2可定位微镜 356

4.3微机械传导元件 356

4.3.1光波导 356

4.3.2镜头 357

折射型镜头 357

衍射光栅和透镜组 361

4.4滤光镜和光谱分析仪 363

4.4.1干涉滤光镜 363

4.4.2法布里－珀罗滤波器 363

4.4.3机械式可调IR滤波器 363

4.4.4分光仪 365

法布里－珀罗分光仪 365

散射型分光仪 367

4.5集成光学系统 371

4.5.1集成自由空间光学系统 372

参考文献 374

第五章 电离辐射传感器 388

1.引言 388

1.1辐射测量单位 388

1.2辐射的类型 389

1.2.1 α放射 390

1.2.2 β放射 390

1.2.3 γ放射和X放射 390

1.2.4中子射线 390

2.电离探测器 391

3.闪烁探测器 392

4.直接固态辐射探测器 393

4.1集成探测器阵列 395

5.其他探测器类型 396

5.1转换型传感器 396

5.2切伦科夫效应探测器 396

5.3热探测器 397

5.4 MOS门电压探测器 397

5.5热发光式探测器 398

5.6平行光管 398

6.辐射对电子仪器的影响 399

7.辐射对生物的影响 399

参考文献 400

第六章 热传感器与执行器 402

1.概述 402

2.温度的测量 403

2.1基本术语 403

2.2热传递方式 403

2.2.1传导 403

2.2.2对流 405

2.2.3辐射 405

2.3非接触温度测量法 405

2.4热－机械传感器 405

2.5热阻传感器 409

2.5.1热阻效应 409

2.5.2简单的薄膜热阻变换器 409

2.5.3热变电阻器 411

2.5.4半导体热阻变换器和热变电阻器 411

2.5.5热阻传感器自加热现象 412

2.5.6接口电路 413

2.6热电偶 413

塞贝克效应 413

2.7基于结的热传感器 416

2.7.1二极管温度传感器 416

2.7.2晶体管温度传感器 419

基本的PTAT电路 419

开关PTAT电路 420

温度不敏感电路 421

2.8其他热学传感器 422

2.8.1声学温度传感器 422

2.8.2石英与其他谐振温度传感器 422

2.8.3隧道型温度传感器 422

2.9生物热传感器 423

3.热学执行器 423

3.1焦耳－汤普森致冷器 423

3.2其他的液体致冷剂 425

3.3珀尔帖效应热泵 425

4.热传感器／执行器组合 427

4.1热稳定电路 427

4.2温度交流／有效值变换器 428

5.热气体压力传感器 434

6.热流传感器 436

7.其他类型的温度传感器 437

7.1微机械量热计 437

7.2露点（热）湿度传感器 437

7.3热学电磁混频器 438

参考文献 438

第七章 磁和电磁传感器与执行器 445

1.引言 445

1.1术语与定义 445

2.磁现象 447

2.1霍尔效应 447

半导体霍尔效应 448

2.2物理磁阻效应 449

2.3几何磁阻效应 450

2.4巨磁阻效应 451

2.5磁光效应 452

2.6磁各向异性 453

2.6.1形状的各向异性 453

2.6.2压力的各向异性 453

2.6.3晶体的各向异性 453

2.7磁畴 453

3.磁传感器 454

3.1霍尔效应传感器 454

3.1.1平板式霍尔电压传感器 454

3.1.2电压偏移的问题 455

3.1.3霍尔板的双极型工艺 455

3.1.4 MOS霍尔板 456

3.1.5非硅霍尔板材料 457

3.1.6磁二极管 457

3.1.7磁晶体管 458

3.1.8漏极分裂磁金属氧化物半导体场效应管 459

3.1.9在集成电路中的霍尔器件 459

3.2载流子磁畴磁力计 460

3.3磁通门磁力计 462

3.4隧道磁力计 465

3.5隧道二极管磁传感器 466

3.6真空电子磁传感器 466

3.7超导量子干涉磁力计 467

3.8其他磁传感器 469

WIEGAND金属丝 469

3.9生物学磁传感器 469

4.磁执行器 470

4.1磁场执行器 470

4.2磁致伸缩执行器 472

4.3磁器件制造技术 472

4.4带有驱动线圈的磁执行器 472

4.4.1电镀磁线圈 472

4.4.2导线键合磁线圈 474

4.4.3外部绕制的磁线圈 474

4.5外加磁场的磁执行器 475

4.6磁式微型马达 477

4.7涡流探伤传感器 478

4.8共振磁传感器 479

4.9磁读／写头 479

4.9.1存储装置的磁头 479

感应式磁头 479

磁阻式读磁头 482

4.9.2磁墨打印头 483

4.10磁泡存储器 483

5.微机械电磁器件 485

5.1无源元件和电路 485

5.2微机械的其他RF应用 488

参考文献 488

第八章 化学和生物传感器与执行器 498

1.引言 498

2.化学传感器 498

2.1无源化学传感器 499

2.1.1电阻化学传感器 499

2.1.2电容化学传感器 500

2.1.3化学机械传感器 501

2.1.4测热传感器 502

2.1.5金属氧化物气体传感器 503

2.2基于功函数的传感器 507

2.2.1 ADFET气体传感器 507

2.2.2铂基氢传感器 508

2.2.3离子灵敏FET（ISFET和CHEMFET） 509

2.3电化学传感器 511

2.3.1离子电容 512

2.3.2电荷转移：电阻机理 513

2.3.3扩散电阻和沃伯格阻抗 515

2.3.4基本电极电路模型 515

2.3.5使用微电极的电化学感测 515

电势感测 516

电流感测 517

其他电化学感测方法 519

2.4声波传感器 521

2.5生物传感器 522

2.5.1共振生物传感器 524

2.5.2光检测生物传感器 524

2.5.3热检测生物传感器 525

2.5.4 ISFET生物传感器（CHEMFETs） 525

2.5.5其他基于pH的生物传感器 527

2.5.6电化学检测生物传感器 528

2.5.7 CMOS可兼容生物传感器加工工艺 528

2.5.8其他生物传感器技术 529

2.6生物分子增益机理 529

2.7利用传感器阵列提高选择性 531

2.8组合阵列 532

2.9生物化学传感器 533

2.9.1生物味觉传感器 533

2.9.2生物味觉传感器 535

3.化学执行器 536

3.1电化学机械执行器 536

3.2聚合体机械执行器 537

3.3薄膜电池 539

4.生物电子接口器件 542

4.1神经系统穿透探针 543

4.2再生神经电极 545

4.3培养细胞系统 547

4.3.1培养系统的表面改良 547

5.混合生物传感器 548

参考文献 550

第九章 微流体器件 567

1.概述 567

1.1基本的流体特性和方程 568

1.2流动的类型 572

1.3微结构中的气泡和粒子 573

1.4毛细作用力 574

1.5流阻 575

1.6流体的容量 576

1.7流体感应系数 576

2.流体管道 577

2.1微机械管道 577

2.2表面微机械管道 581

2.3其他的管道类型和系统途径 583

3.流体管道的应用 584

3.1混合器 584

3.1.1层流混合器 586

3.1.2羽毛状混合器 586

3.1.3主动式混合器 587

3.2基于扩散的萃取器 588

3.3流体放大器和逻辑器 589

4.流体传感器 593

4.1流动传感器 593

4.2黏度／密度传感器 595

4.3其他流体传感器 596

5.阀 596

5.1无源阀 596

5.2有源阀 598

5.2.1气动阀致动 599

5.2.2热气动阀致动 599

5.2.3相变阀致动 601

5.2.4固体热膨胀阀致动 602

5.2.5压电阀执行机构 603

5.2.6静电阀致动 605

5.2.7电磁执行阀 605

5.2.8双稳阀结构 606

6.泵 607

6.1气泡泵 607

6.2膜片泵 607

6.3扩散泵 609

6.4旋转泵 610

6.5电水力泵 612

6.5.1 注入型EHD泵 612

6.5.2非注入型EHD泵 613

6.6电析／电泳泵 614

6.7超声泵 616

6.8真空泵 617

7.液滴发生器 618

8.其他器件 621

8.1用微器件的宏观流动控制 621

8.2微粒过滤器和捕获器 622

9.微流量系统的问题 623

9.1连接器 623

9.2封装／系统集成 625

9.3可回收或一次性器件的设计 627

10.集成化学分析系统 627

10.1化学分析的衡量问题 627

10.2气体色谱系统 628

10.3液体色谱系统 628

10.4电泳系统 629

10.5细胞融合器件 632

10.6 DNA放大（PCR）系统 632

10.7多功能流量系统 633

11.生物流体系统 634

11.1 生物流管 634

11.2生物阀 635

11.2.1被动生物阀 635

11.2.2主动生物阀 636

11.3 生物泵 636

参考文献 636

索引 652

后记 673