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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MEMS401

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MEMS491

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DMD545

7.3.2 光栅光阀GLV550

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MEMS575

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——PCR701

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