微机电系统基础 原书第2版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.0 预览 1

1.1 MEMS发展史 1

1.1.1 从诞生到1990年 1

1.1.2 从1990年到2001年 3

1.1.3 从2002年到现在 7

1.1.4 未来发展趋势 8

1.2 MEMS的本质特征 9

1.2.1 小型化 9

1.2.2 微电子集成 10

1.2.3 高精度的并行制造 11

1.3 器件：传感器和执行器 11

1.3.1 能量域和换能器 11

1.3.2 传感器考虑 13

1.3.3 传感器噪声及设计复杂性 14

1.3.4 执行器考虑 15

1.4 总结 16

习题 16

参考文献 19

第2章 微制造导论 24

2.0 预览 24

2.1 微制造概述 24

2.2 常用微制造工艺概述 27

2.2.1 光刻 28

2.2.2 薄膜沉积 29

2.2.3 硅热氧化 30

2.2.4 湿法刻蚀 30

2.2.5 硅的各向异性刻蚀 31

2.2.6 等离子刻蚀和反应离子刻蚀 31

2.2.7 掺杂 32

2.2.8 圆片划片 33

2.2.9 圆片键合 33

2.3 微电子制造工艺流程 34

2.4 硅基MEMS工艺 36

2.5 封装与集成 40

2.5.1 集成方法 40

2.5.2 密封 41

2.6 新材料和新制造工艺 41

2.7 工艺选择与工艺设计 42

2.7.1 淀积工艺中需要考虑的问题 42

2.7.2 刻蚀工艺中需要考虑的问题 43

2.7.3 构造工艺流程的理想规则 44

2.7.4 构造鲁棒性工艺的规则 44

2.8 总结 45

习题 46

参考文献 47

第3章 电学与机械学基本概念 51

3.0 预览 51

3.1 半导体的电导率 51

3.1.1 半导体材料 52

3.1.2 载流子浓度的计算 52

3.1.3 电导率和电阻率 54

3.2 晶面和晶向 57

3.3 应力和应变 59

3.3.1 内力分析：牛顿运动定律 59

3.3.2 应力和应变的定义 60

3.3.3 张应力和张应变之间的一般标量关系 63

3.3.4 硅和相关薄膜的力学特性 64

3.3.5 应力－应变的一般关系 66

3.4 简单负载条件下挠性梁的弯曲 68

3.4.1 梁的类型 68

3.4.2 纯弯曲下的纵向应变 69

3.4.3 梁的挠度 71

3.4.4 求解弹簧常数 71

3.5 扭转变形 75

3.6 本征应力 76

3.7 动态系统、谐振频率和品质因数 79

3.7.1 动态系统和控制方程 80

3.7.2 正弦谐振激励下的响应 80

3.7.3 阻尼和品质因数 81

3.7.4 谐振频率和带宽 82

3.8 弹簧常数和谐振频率的主动调节 82

3.9 推荐教科书清单 83

3.10 总结 84

习题 84

参考文献 87

第4章 静电敏感与执行原理 92

4.0 预览 92

4.1 静电传感器与执行器概述 92

4.2 平行板电容器 93

4.2.1 平行板电容 93

4.2.2 偏压作用下静电执行器的平衡位置 95

4.2.3 平行板执行器的吸合效应 96

4.3 平行板电容器的应用 101

4.3.1 惯性传感器 101

4.3.2 压力传感器 105

4.3.3 流量传感器 108

4.3.4 触觉传感器 110

4.3.5 平行板执行器 112

4.4 叉指电容器 113

4.5 梳状驱动器件的应用 117

4.5.1 惯性传感器 117

4.5.2 执行器 119

4.6 总结 120

习题 121

参考文献 123

第5章 热敏感与执行原理 127

5.0 预览 127

5.1 引言 127

5.1.1 热传感器 127

5.1.2 热执行器 127

5.1.3 热传递的基本原理 128

5.2 基于热膨胀的传感器和执行器 131

5.2.1 热双层片原理 133

5.2.2 单一材料组成的热执行器 137

5.3 热电偶 139

5.4 热电阻器 141

5.5 应用 142

5.5.1 惯性传感器 142

5.5.2 流量传感器 144

5.5.3 红外传感器 152

5.5.4 其他传感器 154

5.6 总结 157

习题 158

参考文献 161

第6章 压阻传感器 164

6.0 预览 164

6.1 压阻效应的起源和表达式 164

6.2 压阻传感器材料 166

6.2.1 金属应变计 166

6.2.2 单晶硅 166

6.2.3 多晶硅 168

6.3 机械元件的应力分析 168

6.3.1 弯曲悬臂梁中的应力 168

6.3.2 薄膜中的应力和变形 172

6.4 压阻传感器的应用 174

6.4.1 惯性传感器 174

6.4.2 压力传感器 177

6.4.3 触觉传感器 179

6.4.4 流量传感器 181

6.5 总结 184

习题 184

参考文献 187

第7章 压电敏感与执行原理 189

7.0 预览 189

7.1 引言 189

7.1.1 背景 189

7.1.2 压电材料的数学描述 190

7.1.3 悬臂梁式压电执行器模型 192

7.2 压电材料的特性 193

7.2.1 石英 194

7.2.2 PZT 194

7.2.3 PVDF 196

7.2.4 ZnO 196

7.2.5 其他材料 199

7.3 应用 200

7.3.1 惯性传感器 200

7.3.2 声学传感器 202

7.3.3 触觉传感器 204

7.3.4 流量传感器 205

7.3.5 弹性表面波 206

7.4 总结 207

习题 207

参考文献 210

第8章 磁执行原理 212

8.0 预览 212

8.1 基本概念和原理 212

8.1.1 磁化及术语 212

8.1.2 微磁执行器的原理 214

8.2 微型磁性元件的制造 217

8.2.1 磁性材料的沉积 217

8.2.2 磁性线圈的设计与制造 219

8.3 MEMS磁执行器的实例研究 222

8.4 总结 228

习题 228

参考文献 229

第9章 敏感与执行原理总结 231

9.0 预览 231

9.1 主要敏感与执行方式的比较 231

9.2 其他敏感与执行方法 232

9.2.1 隧道效应敏感 232

9.2.2 光学敏感 234

9.2.3 场效应晶体管 238

9.2.4 射频谐振敏感 240

9.3 总结 241

习题 242

参考文献 243

第10章 体微机械加工与硅各向异性刻蚀 245

10.0 预览 245

10.1 引言 245

10.2 各向异性湿法刻蚀 246

10.2.1 简介 246

10.2.2 硅各向异性刻蚀规则——简单结构 247

10.2.3 硅各向异性刻蚀规则——复杂结构 251

10.2.4 凸角刻蚀 256

10.2.5 独立掩膜图形之间的刻蚀相互作用 257

10.2.6 设计方法总结 259

10.2.7 硅各向异性湿法刻蚀剂 259

10.3 干法刻蚀与深反应离子刻蚀 263

10.4 各向同性湿法刻蚀 264

10.5 汽相刻蚀剂 264

10.6 本征氧化层 264

10.7 专用圆片与专用技术 265

10.8 总结 265

习题 266

参考文献 271

第11章 表面微机械加工 273

11.0 预览 273

11.1 表面微机械加工基本工艺 273

11.1.1 牺牲层刻蚀工艺 273

11.1.2 微型马达制造工艺——第一种方案 273

11.1.3 微型马达制造工艺——第二种方案 274

11.1.4 微型马达制造工艺——第三种方案 275

11.2 结构层材料和牺牲层材料 277

11.2.1 双层工艺中的材料选择标准 277

11.2.2 薄膜的低压化学汽相淀积 278

11.2.3 其他表面微机械加工材料与工艺 280

11.3 加速牺牲层刻蚀的方法 281

11.4 黏附机制和抗黏附方法 282

11.5 总结 283

习题 284

参考文献 285

第12章 工艺组合 289

12.0 预览 289

12.1 悬空梁的制造工艺 290

12.2 悬空薄膜的制造工艺 294

12.3 悬臂梁的制造工艺 298

12.3.1 扫描探针显微镜（SPM）技术 298

12.3.2 制造微尖的常用方法 300

12.3.3 带有集成微尖的悬臂梁 301

12.3.4 带有传感器的悬臂梁SPM探针 305

12.3.5 带有执行器的SPM探针 309

12.4 影响MEMS成品率的因素 312

12.5 总结 313

习题 313

参考文献 316

第13章 聚合物MEMS 318

13.0 预览 318

13.1 引言 318

13.2 MEMS中的聚合物 319

13.2.1 聚酰亚胺 320

13.2.2 SU-8 321

13.2.3 液晶聚合物（LCP） 321

13.2.4 PDMS 322

13.2.5 PMMA 323

13.2.6 聚对二甲苯 323

13.2.7 碳氟化合物 324

13.2.8 其他聚合物 324

13.3 典型应用 325

13.3.1 加速度传感器 325

13.3.2 压力传感器 326

13.3.3 流量传感器 329

13.3.4 触觉传感器 330

13.4 总结 332

习题 332

参考文献 333

第14章 微流控应用 337

14.0 预览 337

14.1 微流控的发展动机 337

14.2 生物基本概念 338

14.3 流体力学基本概念 340

14.3.1 雷诺数与黏性 340

14.3.2 通道中流体的驱动方法 341

14.3.3 压力驱动 341

14.3.4 电致流动 343

14.3.5 电泳和介电泳 344

14.4 微流控元件的设计与制造 345

14.4.1 通道 345

14.4.2 阀 352

14.5 总结 355

习题 355

参考文献 356

第15章 MEMS典型产品实例 361

15.0 预览 361

15.1 案例分析：血压（BP）传感器 361

15.1.1 背景及历史 361

15.1.2 器件设计考虑 362

15.1.3 商业化实例：NovaSensor公司的血压传感器 362

15.2 案例分析：微麦克风 364

15.2.1 背景及历史 364

15.2.2 器件设计考虑 365

15.2.3 商业化实例：Knowles公司的微麦克风 365

15.3 案例分析：加速度传感器 366

15.3.1 背景及历史 366

15.3.2 器件设计考虑 367

15.3.3 商业化实例：AD公司和MEMSIC公司的加速度传感器 369

15.4 案例分析：陀螺 370

15.4.1 背景及历史 370

15.4.2 Coriolis力 370

15.4.3 MEMS陀螺设计 371

15.4.4 单轴陀螺动力学 373

15.4.5 商业化实例：InvenSense公司的陀螺 374

15.5 MEMS产品开发需要考虑的主要因素 375

15.5.1 性能和精度 375

15.5.2 可重复性和可靠性 376

15.5.3 MEMS产品的成本管理 376

15.5.4 市场、投资和竞争 376

15.6 总结 377

习题 377

参考文献 379

附录A 典型MEMS材料特性 381

附录B 梁、悬臂梁、板的常用力学公式 384

附录C 处理二阶动态系统的基本方法 386

附录D 常用材料的制备方法、刻蚀剂和能够承受的最高温度 389

附录E 常用材料去除工艺 390

附录F 材料和工艺之间的兼容性总结 391

附录G 商用惯性传感器比较 393

部分习题答案 395