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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CVD212

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