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第1章 MEMS和微系统概论 1

1.1 MEMS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

4.4.2 蠕变 124

4.4.1 材料机械强度的热效应 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

4.7.3 FEA的输入信息 144

4.7.4 FEA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

5.2 宏观和介观流体力学基础回顾 151

5.1 引言 151

第5章 热流体工程和微系统设计 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

5.7.2 努森数和马赫数 170

5.7.1 稀薄气体 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

6.2 几何结构学中的尺度 197

第6章 微型化中的尺度效应 197

6.1 尺度的介绍 197

6.3 刚体动力学中的尺度 200

6.3.1 动力中的尺度 200

6.3.2 Trimmer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

7.10.1 作为工业材料的聚合物 240

7.10 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

7.10.4 Langmuir-Blodgett（LB）膜 242

7.11 封装材料 243

习题 245

8.2.1 概述 249

8.2 光刻 249

8.1 引言 249

第8章 微系统加工工艺 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

8.5.1 热氧化 258

8.5 氧化 258

8.5.3 热氧化的速率 259

8.5.2 二氧化硅 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

8.6.1 CVD的工作原理 264

8.6.2 CVD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

9.2 体硅微制造 284

第9章 微制造综述 284

9.1 引言 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

9.4 LIGA工艺 298

9.4.1 LIGA工艺概述 298

9.4.2 基底和光刻胶的材料 300

9.4.4 SLIGA工艺 301

9.4.3 电镀 301

9.5.1 体硅微制造 302

9.5.2 表面微加工 302

9.5.3 LIGA工艺 302

习题 302

9.5 微制造小结 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

10.3 工艺设计 315

10.3.1 光刻 315

10.2.6 封装 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