第1章 MEMS与微系统概述 1
1.1 MEMS与微系统 1
1.2 典型的MEMS与微系统产品 4
1.2.1 微齿轮 4
1.2.2 微马达 5
1.2.3 微涡轮 5
1.2.4 微光学元件 5
1.3 微加工技术的发展 6
1.4 微系统与微电子学 7
1.5 微系统设计与制造的多学科特点 8
1.6 微系统与小型化 10
1.7 微系统在汽车工业中的应用 13
1.7.1 安全性 15
1.7.2 发动机和动力传动系统 15
1.7.3 舒适性和便利性 16
1.7.4 汽车诊断和健康监测 16
1.7.5 未来汽车应用 16
1.8 微系统在其他工业中的应用 18
1.8.1 在卫生保健工业中的应用 18
1.8.2 在航空航天工业中的应用 18
1.8.3 在工业产品中的应用 19
1.8.4 在消费类产品中的应用 19
1.8.5 在远程通信中的应用 19
1.9 微系统产品的市场 20
本章习题 21
第2章 微系统的工作原理 23
2.1 引言 23
2.2 微传感器 23
2.2.1 声学波传感器 23
2.2.2 生物医学传感器和生物传感器 24
2.2.3 化学传感器 27
2.2.4 光学传感器 28
2.2.5 压力传感器 30
2.2.6 热传感器 34
2.3 微致动 35
2.3.1 利用热力的致动 36
2.3.2 利用形状记忆合金的致动 36
2.3.3 利用压电效应的致动 37
2.3.4 利用静电力的致动 38
2.4 带有微致动器的MEMS器件 40
2.4.1 微夹钳 40
2.4.2 微型麦克风 41
2.4.3 微型电动机 43
2.5 具有机械惯性的微致动器 44
2.5.1 微加速度计 44
2.5.2 微陀螺仪 46
2.6 微流体器件 48
2.6.1 微型阀 50
2.6.2 微型泵 51
2.6.3 微型热管 51
本章习题 52
第3章 微系统设计与制造的工程科学 56
3.1 引言 56
3.2 物质的原子结构 56
3.3 离子和离子化 58
3.4 物质的分子理论和分子间力 58
3.5 半导体材料的掺杂 60
3.6 扩散工艺 62
3.7 等离子体物理 67
3.8 电化学 68
3.8.1 电解 68
3.8.2 电液动力学 69
本章习题 71
第4章 微系统设计中的工程力学 74
4.1 引言 74
4.2 薄板的静力弯曲 75
4.2.1 周边固定圆板的弯曲 76
4.2.2 四边固定矩形板的弯曲 77
4.2.3 四边固定正方形板的弯曲 78
4.3 机械振动 80
4.3.1 基本公式 80
4.3.2 共振 83
4.3.3 微加速度计 84
4.3.4 加速度计的设计理论 85
4.3.5 阻尼系数 91
4.3.6 谐振式微传感器 98
4.4 热力学 101
4.4.1 材料机械强度的热效应 102
4.4.2 蠕动变形 102
4.4.3 热应力 103
4.5 断裂力学 112
4.5.1 应力强度因子 113
4.5.2 断裂韧度 114
4.5.3 界面断裂力学 115
4.6 薄膜力学 117
4.7 有限元应力分析概述 118
4.7.1 原理 118
4.7.2 工程应用 119
4.7.3 有限元分析（FEA）的输入信息 120
4.7.4 有限元分析（FEA）的输出信息 120
4.7.5 图形化输出 120
4.7.6 总体评论 121
本章习题 122
第5章 热流体工程与微系统设计 125
5.1 引言 125
5.2 宏观和介观流体力学基础回顾 125
5.2.1 流体的黏性 126
5.2.2 流线和流管 127
5.2.3 控制体和控制面 127
5.2.4 流动模式和雷诺数 127
5.3 连续介质流体动力学基本方程 128
5.3.1 连续性方程 128
5.3.2 动量方程 129
5.3.3 运动方程 131
5.4 圆形导管中的层流体流动 133
5.5 计算流体动力学 135
5.6 微导管中不可压缩流体的流动 136
5.6.1 表面张力 136
5.6.2 毛细管效应 138
5.6.3 微型泵 139
5.7 固体中的热传导概述 139
5.7.1 热传导的一般性原理 140
5.7.2 热传导的傅里叶定律 140
5.7.3 热传导方程 141
5.7.4 牛顿冷却定律 142
5.7.5 固体-流体之间的相互作用 143
5.7.6 边界条件 143
5.8 多层薄膜中的热传导 147
5.9 亚微米尺度下固体中的热传导 150
本章习题 150
第6章 微型化中的按比例缩小法则 154
6.1 按比例缩小法则简介 154
6.2 几何结构的按比例缩小 154
6.3 刚体动力学中的按比例缩小 155
6.3.1 动态作用力的比例关系 156
6.3.2 Trimmer力缩比矢量 156
6.4 静电力中的缩比特性 158
6.5 电磁力的缩比特性 159
6.6 电学中的缩比特性 161
6.7 流体力学中的缩比特性 161
6.8 热传输过程中的缩比特性 163
6.8.1 热传导过程中的缩比特性 164
6.8.2 热对流中的缩比特性 164
本章习题 165
第7章 用于MEMS和微系统的材料 166
7.1 引言 166
7.2 衬底和晶圆片 166
7.3 有源衬底材料 167
7.4 作为衬底材料的硅 167
7.4.1 用于MEMS的理想衬底 167
7.4.2 单晶硅和晶圆片 168
7.4.3 晶体结构 169
7.4.4 密勒指数 171
7.4.5 硅的机械性能 173
7.5 硅的化合物 174
7.5.1 二氧化硅 174
7.5.2 碳化硅 175
7.5.3 氮化硅 175
7.5.4 多晶硅 176
7.6 硅压电电阻 176
7.7 砷化镓 179
7.8 石英 180
7.9 压电晶体 181
7.10 聚合物 185
7.10.1 作为工业材料的聚合物 185
7.10.2 用于MEMS和微系统的聚合物 186
7.10.3 导电聚合物 186
7.10.4 LB（Langmuir-Blodgett）膜 187
7.10.5 SU-8光致抗蚀剂 188
7.11 封装材料 190
本章习题 190
第8章 微系统制造工艺 194
8.1 引言 194
8.2 光刻 194
8.2.1 概述 194
8.2.2 光刻胶及其应用 195
8.2.3 光源 196
8.2.4 光刻胶的显影 197
8.2.5 光刻胶的去除和烘烤 197
8.3 离子注入 197
8.4 扩散 199
8.5 氧化 201
8.5.1 热氧化工艺 201
8.5.2 二氧化硅 202
8.5.3 热氧化的速率 202
8.5.4 由颜色来确定氧化层厚度 205
8.6 化学气相淀积 205
8.6.1 CVD的工作原理 206
8.6.2 CVD工艺中的化学反应 206
8.6.3 淀积的速率 207
8.6.4 增强型的CVD 212
8.7 物理气相淀积——溅射 213
8.8 外延淀积 214
8.9 腐蚀 215
8.9.1 化学腐蚀 216
8.9.2 等离子体刻蚀 216
8.10 微加工技术小结 217
本章习题 217
第9章 微制造概述 221
9.1 引言 221
9.2 体硅微制造技术 221
9.2.1 腐蚀工艺概述 222
9.2.2 各向同性腐蚀与各向异性腐蚀 222
9.2.3 湿法腐蚀剂 223
9.2.4 自停止腐蚀 225
9.2.5 干法刻蚀 225
9.2.6 湿法腐蚀工艺与干法刻蚀工艺的比较 228
9.3 表面微加工技术 229
9.3.1 概述 229
9.3.2 工艺过程 229
9.3.3 表面微加工技术中的力学问题 230
9.4 LIGA工艺 232
9.4.1 LIGA工艺概述 233
9.4.2 用作衬底和光刻胶的材料 234
9.4.3 电镀 234
9.4.4 SLIGA工艺 235
9.5 微制造技术总结 235
9.5.1 体硅微制造工艺 235
9.5.2 表面微加工技术 235
9.5.3 LIGA工艺 236
本章习题 236
第10章 微系统设计 239
10.1 引言 239
10.2 设计考虑 239
10.2.1 设计约束 240
10.2.2 材料的选择 241
10.2.3 制造工艺的选取 243
10.2.4 信号转换方式的选择 244
10.2.5 机电系统 245
10.2.6 封装 246
10.3 工艺设计 246
10.3.1 光刻 246
10.3.2 薄膜加工 247
10.3.3 结构成型 248
10.4 力学设计 248
10.4.1 MEMS元件的几何结构 248
10.4.2 热力学负载 249
10.4.3 热力学应力分析 250
10.4.4 动力学分析 250
10.4.5 界面断裂分析 253
10.5 使用有限元方法的力学设计 254
10.5.1 有限元方程 254
10.5.2 微制造工艺模拟 258
10.6 微压力传感器硅芯片的设计 259
10.7 微流体网络系统的设计 262
10.7.1 微管道中的流动阻力 263
10.7.2 毛细管电泳网络系统 266
10.7.3 毛细管电泳网络系统的数学模型 267
10.7.4 设计案例：毛细管电泳网络系统 268
10.7.5 弯曲管道中的毛细管电泳现象 271
10.7.6 毛细管电泳过程中的设计问题 271
10.8 计算机辅助设计 272
10.8.1 为什么要用计算机辅助设计 272
10.8.2 用于微系统的CAD软件包是什么 272
10.8.3 如何选择CAD软件包 274
10.8.4 利用CAD软件完成的设计实例 274
本章习题 277
第11章 微系统的组装、封装与测试 281
11.1 引言 281
11.2 微组装概述 282
11.3 微组装的高成本 283
11.4 微组装工艺过程 284
11.5 微组装中主要的技术问题 286
11.5.1 微组装的容差 286
11.5.2 设备与夹具 288
11.5.3 微组装工具中的接触问题 289
11.6 微组装工作单元 290
11.7 微组装技术中的挑战 291
11.8 微系统封装概述 292
11.9 封装设计的一般考虑 293
11.10 微系统封装的三个层次 294
11.10.1 芯片级封装 294
11.10.2 器件级封装 296
11.10.3 系统级封装 296
11.11 微系统封装的接口问题 296
11.12 基本的封装技术 297
11.13 芯片准备 298
11.14 表面键合 298
11.14.1 粘合剂 298
11.14.2 共晶键合 299
11.14.3 阳极键合 300
11.14.4 硅熔融键合 301
11.14.5 表面键合技术概述 302
11.14.6 绝缘层上硅：特殊的表面键合技术 303
11.15 引线键合 304
11.16 密封与封装 305
11.16.1 集成化的封装工艺 307
11.16.2 通过晶圆片键合进行密封 307
11.16.3 真空密封与封装 308
11.17 三维封装 309
11.18 封装材料的选择 310
11.19 信号的转换和传输 311
11.19.1 微系统中典型的电信号 311
11.19.2 电阻的测量 312
11.19.3 压力传感器中信号的转换和传输 312
11.19.4 容抗的测量 314
11.20 压力传感器封装设计案例 314
11.21 MEMS封装的可靠性 317
11.22 可靠性测试 318
本章习题 319
第12章 纳米尺度工程简介 324
12.1 引言 324
12.2 微米技术与纳米技术 325
12.3 纳米制造技术的基本原理 326
12.4 纳米产品 328
12.5 纳米产品的应用 331
12.6 量子物理 333
12.7 分子动力学 334
12.8 亚微米与纳米尺度下的流体流动 336
12.8.1 稀薄气体 336
12.8.2 Knudsen数与Mach数 337
12.8.3 微米及纳米尺度气流的建模 337
12.9 纳米尺度下的热传导 339
12.9.1 亚微米和纳米尺度下的热传导 340
12.9.2 薄膜的热导率 342
12.9.3 薄膜的热传导方程 342
12.10 热传导的测量 343
12.11 纳米技术面临的挑战 347
12.11.1 纳米加工技术中的纳米图形化技术 348
12.11.2 纳米组装 349
12.11.3 用于纳电子机械系统（NEMS）的新材料 350
12.11.4 解析模型 350
12.11.5 测试 351
12.12 纳米尺度工程的社会影响 351
本章习题 352
参考文献 357
附录1 各种热物理量推荐的单位 368
附录2 单位转换 369