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第1章 绪论1

1.0 预览1

1.1 MEMS研究发展史1

1.2 MEMS的本质特征8

1.2.1 小型化8

1.2.2 微电子集成10

1.2.3 高精度的批量制造10

1.3 器件：传感器和执行器10

1.3.1 能量域和换能器10

1.3.2 传感器12

1.3.3 执行器14

总结15

习题15

参考文献17

第2章 微制造导论21

2.0 预览21

2.1 微制造综述21

2.2 微电子制造工艺22

2.3 硅基MEMS工艺25

2.4 新材料和新制造工艺29

2.5 工艺中需考虑的因素30

总结31

习题31

参考文献32

第3章 电学与机械学基本概念36

3.0 预览36

3.1 半导体的电导率36

3.1.1 半导体材料37

3.1.2 载流子浓度的计算37

3.1.3 电导率和电阻率40

3.2 晶面和晶向42

3.3 应力和应变44

3.3.1 内力分析：牛顿运动定律44

3.3.2 应力和应变的定义46

3.3.3 张应力和张应变之间的一般标量关系48

3.3.4 硅和相关薄膜的力学特性50

3.3.5 应力一应变的一般关系51

3.4 简单负载条件下挠性梁的弯曲53

3.4.1 梁的类型53

3.4.2 纯弯曲下的纵向应变55

3.4.3 梁的挠度56

3.4.4 求解弹性形变常数56

3.5 扭转变形60

3.6 本征应力62

3.7 谐振频率和品质因数65

3.8 弹簧弹性常数和谐振频率的有源调节66

3.9 推荐教科书清单67

总结67

习题68

参考文献71

第4章 静电敏感与执行原理74

4.0 预览74

4.1 静电传感器与执行器概述74

4.2 平行板电容器75

4.2.1 平行板电容75

4.2.2 偏压作用下静电执行器的平衡位置77

4.2.3 平行板执行器的吸合（pull-in）效应79

4.3 平行板电容器的应用83

4.3.1 惯性传感器83

4.3.2 压力传感器86

4.3.3 流量传感器90

4.3.4 触觉传感器92

4.3.5 平行板执行器93

4.4 叉指电容器94

4.5 梳状驱动器件的应用98

4.5.1 惯性传感器98

4.5.2 执行器101

总结102

习题103

参考文献105

第5章 热敏感与执行原理108

5.0 预览108

5.1 前言108

5.1.1 热传感器108

5.1.2 热执行器108

5.1.3 热传递的基本原理109

5.2 基于热膨胀的传感器和执行器112

5.2.1 热双层片原理114

5.2.2 单一材料组成的热执行器119

5.3 热电偶120

5.4 热电阻器122

5.5 应用123

5.5.1 惯性传感器123

5.5.2 流量传感器125

5.5.3 红外传感器132

5.5.4 其他传感器134

总结137

习题138

参考文献141

第6章 压阻传感器144

6.0 预览144

6.1 压阻效应的起源和表达式144

6.2 压阻传感器材料146

6.2.1 金属应变计146

6.2.2 单晶硅146

6.2.3 多晶硅149

6.3 机械元件的应力分析149

6.3.1 弯曲悬臂梁中的应力150

6.3.2 薄膜中的应力153

6.4 压阻传感器的应用154

6.4.1 惯性传感器154

6.4.2 压力传感器158

6.4.3 触觉传感器159

6.4.4 流量传感器161

总结164

习题164

参考文献167

第7章 压电敏感与执行原理169

7.0 预览169

7.1 前言169

7.1.1 背景169

7.1.2 压电材料的数学描述170

7.1.3 悬臂梁式压电执行器模型172

7.2 压电材料的特性173

7.2.1 石英174

7.2.2 PZT174

7.2.3 PVDF176

7.2.4 ZnO176

7.2.5 其他材料179

7.3 应用179

7.3.1 惯性执行器179

7.3.2 声学传感器181

7.3.3 触觉传感器183

7.3.4 流量传感器184

7.3.5 弹性表面波185

总结186

习题187

参考文献189

第8章 磁执行器192

8.0 预览192

8.1 基本概念和原理192

8.1.1 磁化及术语192

8.1.2 微磁执行器的原理194

8.2 微磁元件的制造197

8.2.1 磁性材料的沉积198

8.2.2 磁性线圈的设计和制造199

8.3 MEMES磁执行器的实例研究202

总结208

习题208

参考文献209

第9章 敏感与执行原理总结211

9.0 预览211

9.1 主要敏感与执行方式的比较211

9.2 隧道效应敏感212

9.3 光学敏感214

9.3.1 利用波导的敏感结构214

9.3.2 利用自由空间光束的敏感结构215

9.3.3 利用光学干涉测量法的位置敏感结构215

9.4 场效应晶体管218

9.5 射频谐振敏感220

总结221

习题221

参考文献222

第10章 体微机械加工与硅各向异性腐蚀224

10.0 预览224

10.1 前言224

10.2 各向异性湿法腐蚀226

10.2.1 简介226

10.2.2 硅各向异性腐蚀的规则——简单例子227

10.2.3 硅各向异性腐蚀的规则——复杂结构231

10.2.4 独立掩膜图形之间的腐蚀相互作用236

10.2.5 设计方法总结238

10.2.6 硅湿法各向异性腐蚀剂238

10.3 硅的干法刻蚀——等离子体刻蚀241

10.4 深反应离子刻蚀（DRIE）242

10.5 各向同性湿法腐蚀243

10.6 气相刻蚀剂244

10.7 自然氧化层244

10.8 键合244

10.9 加工实例245

10.9.1 悬空梁和薄板245

10.9.2 悬空膜246

总结249

习题249

参考文献255

第11章 表面微机械加工258

11.0 预览258

11.1 表面微机械加工基本工艺258

11.1.1 牺牲层腐蚀工艺258

11.1.2 微型马达的制造工艺——第一种方案258

11.1.3 微型马达的制造工艺——第二种实现方案260

11.1.4 微型马达制造工艺——第三种实现方法261

11.2 结构层材料和牺牲层材料262

11.2.1 材料选择标准262

11.2.2 低压化学气相淀积薄膜263

11.2.3 其他表面微机械加工材料和工艺264

11.3 加速牺牲层腐蚀的方法265

11.4 黏附机制和抗粘附方法266

11.5 3D MEMS的组装267

11.6 加工厂制造工艺270

总结271

习题272

参考文献274

第12章 聚合物MEMS277

12.0 预览277

12.1 前言277

12.2 MEMS中的聚合物278

12.2.1 聚酰亚胺279

12.2.2 SU-8280

12.2.3 液晶聚合物（LCP）280

12.2.4 PDMS281

12.2.5 PMMA282

12.2.6 聚对二甲苯282

12.2.7 碳氟化合物283

12.2.8 其他聚合物283

12.3 典型应用284

12.3.1 加速度传感器284

12.3.2 压力传感器284

12.3.3 流量传感器288

12.3.4 触觉传感器288

总结291

习题291

参考文献292

第13章 微流控学应用295

13.0 预览295

13.1 微流控的发展动机295

13.2 生物基本概念296

13.3 流体力学基本概念297

13.3.1 雷诺数和黏性298

13.3.2 通道中流体的驱动方法299

13.3.3 压力驱动299

13.3.4 电致的流动300

13.3.5 电泳和介电泳301

13.4 可微流控元件的设计与制造303

13.4.1 通道303

13.4.2 阀310

总结312

习题312

参考文献313

第14章 扫描探针显微镜部件318

14.0 预览318

14.1 前言318

14.1.1 扫描探针显微镜（SPM）技术318

14.1.2 用途广泛SPM家族319

14.1.3 扫描探针显微镜技术的扩展321

14.2 制造探针的常见方法321

14.3 带有集成探针的悬臂梁323

14.3.1 一般设计考虑323

14.3.2 常见的制造方法323

14.3.3 其他技术327

14.4 带有传感器和执行器的SPM探针328

14.4.1 集成有传感器的SPM探针329

14.4.2 带有执行器的SPM探针332

总结335

习题335

参考文献337

第15章 光MEMS340

15.0 预览340

15.1 无源MEMS光学器件340

15.1.1 透镜341

15.1.2 反射镜343

15.2 有源光MEMS执行器345

15.2.1 离面小位移执行器345

15.2.2 面内大位移执行器347

15.2.3 离面转动执行器347

总结350

习题350

参考文献352

第16章 MEMS技术组织与管理355

16.0 预览355

16.1 研发策略355

习题359

参考文献360

附录A 材料特性362

参考文献363

附录B 梁与膜的常用力学公式364