第1章 微系统概述 1
1.1 微系统的概念 1
1.2 微系统的特点 4
1.2.1 MEMS的典型特点 4
1.2.2 尺寸效应 6
1.3 MEMS的实现 7
1.3.1 MEMS设计 7
1.3.2 建模、模拟与数值计算 8
1.3.3 MEMS制造 10
1.4 微系统的历史、发展与产业状况 12
1.4.1 历史 13
1.4.2 产业状况 16
1.4.3 发展趋势 22
参考文献 26
本章习题 27
第2章 力学基础 29
2.1 材料的基本常数 29
2.1.1 硅的弹性模量 29
2.1.2 热学参数 31
2.2 弹性梁 31
2.2.1 梁的基本方程 31
2.2.2 悬臂梁 33
2.2.3 双端支承梁 35
2.2.4 折线弹性支承梁 37
2.3 薄板结构 40
2.3.1 矩形薄板 40
2.3.2 圆形薄板 44
2.3.3 动力学——瑞利法 44
2.4 流体力学 45
2.4.1 流体力学基本概念 45
2.4.2 流体阻尼 49
参考文献 57
本章习题 59
第3章 微系统制造技术 60
3.1 MEMS常用材料及光刻技术 60
3.1.1 MEMS常用材料 61
3.1.2 MEMS光刻 64
3.2 体微加工技术 67
3.2.1 湿法刻蚀 67
3.2.2 干法深刻蚀 76
3.3 表面微加工技术 95
3.3.1 表面微加工 95
3.3.2 薄膜的残余应力 102
3.3.3 表面微加工的应用和发展 108
3.4 键合 111
3.4.1 键合原理 111
3.4.2 键合对准方法 115
3.4.3 直接键合 121
3.4.4 阳极键合 126
3.4.5 金属中间层键合 128
3.4.6 高分子键合 135
3.5 高深宽比结构与工艺集成 140
3.5.1 高深宽比结构的制造方法 140
3.5.2 工艺集成 148
3.5.3 MEMS代工制造 149
3.6 MEMS与CMOS的集成技术 151
3.6.1 单片集成技术 152
3.6.2 三维集成技术 161
3.7 MEMS封装技术 180
3.7.1 MEMS封装 180
3.7.2 三维圆片级真空封装 184
参考文献 195
本章习题 202
第4章 微型传感器 205
4.1 微型传感器的敏感机理 205
4.1.1 压阻式传感器 206
4.1.2 电容式传感器 211
4.1.3 压电式传感器 214
4.1.4 谐振式传感器 217
4.1.5 隧穿效应 219
4.2 压力传感器 220
4.2.1 压力传感器的建模 221
4.2.2 压阻式压力传感器 222
4.2.3 电容式压力传感器 229
4.2.4 谐振式压力传感器 233
4.3 麦克风 237
4.3.1 麦克风的建模 238
4.3.2 电容式麦克风 240
4.3.3 集成麦克风 248
4.4 加速度传感器 250
4.4.1 加速度传感器的模型 251
4.4.2 加速度传感器的结构与测量原理 254
4.4.3 三轴加速度传感器 268
4.4.4 加速度传感器的制造 270
4.5 微机械陀螺 274
4.5.1 谐振式陀螺的原理 275
4.5.2 微机械陀螺的结构与工作模式 281
4.5.3 陀螺的微加工技术 300
4.6 微型悬臂梁传感器 304
4.6.1 微型悬臂梁传感器的敏感机理 305
4.6.2 压阻式微型悬臂梁传感器的模型 308
4.6.3 微型悬臂梁传感器的制造方法 312
4.6.4 微型悬臂梁传感器的应用 313
4.7 传感器噪声 318
4.7.1 噪声的来源 318
4.7.2 电学噪声 319
4.7.3 热力学噪声 323
4.7.4 MEMS传感器噪声 326
参考文献 333
本章习题 343
第5章 微型执行器 345
5.1 静电执行器 347
5.1.1 平板电容执行器 347
5.1.2 梳状叉指电极执行器 356
5.1.3 静电马达 362
5.1.4 直线步进执行器 363
5.2 压电执行器 367
5.2.1 线性压电执行器 368
5.2.2 弯曲压电执行器 369
5.3 磁执行器 373
5.3.1 微型磁执行器的力和能量 374
5.3.2 线性执行器 375
5.3.3 扭转执行器 378
5.4 电热执行器 379
5.4.1 一维热传导模型 380
5.4.2 V形执行器 381
5.4.3 双膜片执行器 383
5.4.4 冷热臂执行器 384
5.4.5 热气驱动 385
5.5 微泵 386
5.5.1 往复位移微泵 387
5.5.2 蠕动微泵 392
5.5.3 其他微泵 393
参考文献 394
本章习题 399
第6章 射频MEMS 401
6.1 RF MEMS概述 401
6.1.1 RF MEMS器件 401
6.1.2 基于RF MEMS的收发器前端结构 403
6.2 MEMS开关 404
6.2.1 开关的类型 405
6.2.2 MEMS开关的静态特性 410
6.2.3 开关的动态特性 414
6.2.4 开关的电磁特性 415
6.2.5 MEMS开关的制造 417
6.3 微机械谐振器 420
6.3.1 振动模式及静电换能器 421
6.3.2 弯曲振动模式谐振器 427
6.3.3 体振动模式 446
6.3.4 厚度剪切振动模式 456
6.3.5 MEMS谐振器的制造 462
6.4 基于谐振器的信号处理器 464
6.4.1 低损耗窄带HF和MF滤波器 464
6.4.2 混频滤波器 467
6.4.3 本机振荡器 472
6.5 可调电容、电感与压控振荡器 473
6.5.1 可调电容 473
6.5.2 电感 478
6.5.3 压控振荡器 483
参考文献 484
本章习题 490
第7章 光学MEMS 491
7.1 MEMS微镜 492
7.1.1 MEMS材料与结构的光学性质 492
7.1.2 MEMS微镜的设计 494
7.1.3 微镜的制造 508
7.1.4 微镜的驱动与控制 514
7.2 光通信器件 519
7.2.1 MEMS光开关 519
7.2.2 可变光学衰减器 536
7.3 显示器件 544
7.3.1 反射微镜DMD 545
7.3.2 光栅光阀GLV 550
7.3.3 其他MEMS显示器件 555
7.4 其他光学MEMS器件 560
7.4.1 自适应光学可变形微镜 560
7.4.2 光学平台扫描微镜 562
7.4.3 菲涅耳微透镜 564
7.4.4 可调激光器 564
参考文献 569
第8章 生物医学MEMS 575
8.1 药物释放 577
8.1.1 生物胶囊和微粒 578
8.1.2 微针 584
8.1.3 可植入主动药物释放 598
8.2 生物医学传感器 600
8.2.1 医学平台传感器 600
8.2.2 个人及可穿戴传感器 601
8.2.3 可植入传感器 603
8.3 执行器 608
8.4 神经微电极与探针 609
8.4.1 高密度神经探针阵列 610
8.4.2 无线接口可植入神经探针 613
8.5 组织工程 614
8.5.1 支架制备 615
8.5.2 细胞培养 616
8.5.3 细胞图形化和培养 617
8.6 细胞与分子操作 620
参考文献 622
第9章 微流体与芯片实验室 629
9.1 概述 629
9.1.1 LOC的发展历史 629
9.1.2 LOC的特点 631
9.1.3 微流体的特性 633
9.2 软光刻技术 634
9.2.1 软光刻与高分子聚合物 635
9.2.2 软光刻母版和弹性印章 637
9.2.3 软光刻图形复制 639
9.2.4 软光刻制造微流体管道 647
9.3 微流体的驱动与输运 651
9.3.1 机械驱动 651
9.3.2 电动力驱动 655
9.4 LOC与微流体的基本操作 664
9.4.1 试样预处理 664
9.4.2 混合 669
9.4.3 分离 679
9.4.4 DNA放大——PCR 701
9.4.5 集成试样处理系统 703
9.5 检测技术 704
9.5.1 光学检测 705
9.5.2 电化学检测 708
9.5.3 质谱检测 715
9.6 LOC的应用 716
9.6.1 细胞生物学及干细胞工程 716
9.6.2 微流体DNA芯片 721
9.6.3 蛋白质分析 729
参考文献 731