目 錄
譯者序
原書前言
第Ⅰ部分 突破性技術(shù)
第1章 技術(shù)突破———微系統(tǒng)到微納米系統(tǒng) 2
1.1 從微電子到微系統(tǒng) 2
1.1.1 安裝有移動(dòng)部件的微機(jī)械裝置 2
1.1.2 微機(jī)械裝置中力矩和功率的提高 4
1.1.2.1 LIGA技術(shù) 4
1.1.2.2 抓扒式驅(qū)動(dòng)技術(shù) 5
1.1.3 微系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 5
1.1.3.1 初期（2000年之前）的應(yīng)用領(lǐng)域 5
1.1.3.2 微系統(tǒng)與納米技術(shù)相結(jié)合之后的探索性應(yīng)用 6
1.2 微系統(tǒng):納米技術(shù)與宏觀領(lǐng)域間的聯(lián)系 12
1.3 自下而上納米技術(shù):納米機(jī)電系統(tǒng)的未來(lái) 13
1.4 總結(jié)和展望 15
致謝 15
參考文獻(xiàn) 15

第2章 MEMS中的高 k電介質(zhì)HfO2 17
2.1 概述 17
2.2 HfO2薄膜制造技術(shù) 18
2.2.1 不同的鍍膜技術(shù) 18
2.2.2 鍍膜和熱生長(zhǎng)層 18
2.3 界面摻雜 19
2.3.1 碳摻雜 19
2.3.2 電氣參數(shù)的變化 20
2.3.3 利用電極極化模型分析缺陷密度 22
2.4 輻射測(cè)試技術(shù) 24
2.4.1 輻照前HfO2 器件的缺陷 24
2.4.1.1 電容-電壓特性 24
2.4.1.2 電流-電壓特性 26
2.4.2 輻射造成電參數(shù)的變化 26
2.4.2.1 優(yōu)質(zhì)器件 27
2.4.2.2 失效器件 28
2.4.3 退火工藝研究 29
2.5 總結(jié)和展望 31
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32

第3章 MEMS的壓電薄膜 34
3.1 概述 34
3.2 壓電薄膜制造技術(shù) 34
3.2.1 MEMS中的PZT鍍膜技術(shù) 34
3.2.2 噴濺鍍膜技術(shù) 35
3.2.3 PZT薄膜的晶體結(jié)構(gòu) 35
3.3 薄膜的壓電性質(zhì) 38
3.3.1 電介質(zhì)性質(zhì)和鐵電性質(zhì) 38
3.3.2 單層壓電晶片致動(dòng)器模型 39
3.3.3 Si和MgO基板上PZT薄膜的橫向壓電性質(zhì) 40
3.3.4 金屬基板上的壓電PZT薄膜 43
3.4 無(wú)鉛壓電薄膜 45
3.5 利用壓電薄膜制造微致動(dòng)器技術(shù) 47
3.5.1 壓電微懸臂梁制造技術(shù) 47
3.5.2 壓電MEMS開關(guān)制造技術(shù) 48
3.5.3 壓電微型泵制造技術(shù) 50
3.5.4 利用壓電薄膜致動(dòng)器的微光機(jī)電技術(shù) 53
3.6 總結(jié) 55
參考文獻(xiàn) 55

第4章 高分辨率微陀螺儀應(yīng)用中的CMOS系統(tǒng)和界面 58
4.1 概述 58
4.1.1 工作原理 58
4.1.2 MEMS陀螺儀的應(yīng)用 58
4.1.3 性能指標(biāo) 59
4.1.3.1 分辨率 59
4.1.3.2 比例因數(shù) 59
4.1.3.3 零速率輸出和偏置穩(wěn)定性 60
4.1.3.4 帶寬和動(dòng)態(tài)范圍 60
4.1.4 微機(jī)械陀螺儀發(fā)展史 60
4.2 陀螺儀的電控系統(tǒng) 62
4.2.1 驅(qū)動(dòng)電路 63
4.2.2 正交調(diào)零 63
4.2.3 模式匹配 64
4.2.4 感測(cè)通道 64
4.2.5 自檢測(cè)和調(diào)整 64
4.3 案例研究:模式匹配音叉陀螺儀 64
4.3.1 微陀螺儀接口技術(shù)的挑戰(zhàn)和折中 65
4.3.2 微陀螺儀前端的發(fā)展史 67
4.3.3 探測(cè)動(dòng)電流的跨阻抗前端 67
4.3.4 低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍、T網(wǎng)跨阻抗放大器 68
4.3.4.1 設(shè)計(jì)方面的考慮 69
4.3.4.2 T網(wǎng)跨阻抗放大器前端特性 70
4.3.5 驅(qū)動(dòng)和感測(cè)通道 71
4.3.6 系統(tǒng)集成 73
4.4 總結(jié)和展望 75
參考文獻(xiàn) 76

第5章 體聲波陀螺儀 78
5.1 概述 78
5.2 工作原理 78
5.3 體聲波陀螺儀的設(shè)計(jì) 80
5.3.1 角度增益評(píng)估 81
5.3.2 靈敏度分析 82
5.3.3 分辨率分析 83
5.3.4 動(dòng)態(tài)范圍 84
5.3.5 熱彈性阻尼 85
5.4 體聲波陀螺儀的實(shí)施方案 86
5.4.1 （100）單晶硅實(shí)施方案 86
5.4.2 制造方法 88
5.5 體聲波陀螺儀的測(cè)量技術(shù) 89
5.5.1 頻率特性和模態(tài)匹配 89
5.5.2 性能特性 90
5.5.3 品質(zhì)因數(shù)特性 91
5.6 總結(jié) 93
致謝 93
參考文獻(xiàn) 94

第6章 CMOS/MEMS集成系統(tǒng)中機(jī)械撓性互連技術(shù)和硅通孔技術(shù)的應(yīng)用 96
6.1 概述 96
6.2 MEMS和電路集成的必要性 97
6.3 普通集成技術(shù) 97
6.3.1 單板集成技術(shù) 97
6.3.2 混合集成技術(shù) 98
6.3.3 新興集成技術(shù)及CMOS和MEMS的三維集成技術(shù) 99
6.4 撓性I/O和撓性機(jī)械連接（MFI）技術(shù) 100
6.5 案例研究:MFI技術(shù) 101
6.5.1 對(duì)焊料的限制 103
6.5.1.1 MFI制造技術(shù) 103
6.5.1.2 MFI機(jī)械性能測(cè)試技術(shù) 104
6.6 案例研究:MEMS的TSV技術(shù) 106
6.6.1 厚芯片上制造TSV的挑戰(zhàn)性 106
6.6.1.1 應(yīng)力 106
6.6.2 籽晶層制造技術(shù) 107
6.6.3 無(wú)需化學(xué)機(jī)械拋光工序的MEMS TSV制造技術(shù) 108
6.7 總結(jié) 109
參考文獻(xiàn) 109

第7章 壓電MEMS振動(dòng)能量采集器模型 113
7.1 為何采用環(huán)境能量采集器 113
7.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 113
7.1.2 尺寸問(wèn)題 114
7.1.3 環(huán)境機(jī)械振動(dòng) 114
7.2 通用模型 115
7.2.1 一維模型 115
7.2.2 輸出功率 117
7.2.3 最佳電阻負(fù)載 118
7.2.4 阻尼的影響 118
7.2.5 臨界耦合 119
7.2.6 壓電材料比較 121
7.3 懸臂梁模型 122
7.3.1 MEMS特性 122
7.3.2 薄膜壓電材料 122
7.3.3 建模器件的幾何形狀 124
7.3.4 邊界條件 125
7.3.5 壓電耦合 125
7.3.6 阻尼類型 126
7.3.7 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 126
7.3.8 建模結(jié)果 127
7.3.9 與有限元分析法比較 127
7.3.10 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較 129
7.3.11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 130
7.4 完整的系統(tǒng)建模 132
7.4.1 設(shè)計(jì)流程 132
7.4.2 模型定義 133
7.4.3 評(píng)價(jià) 134
7.4.4 工藝變量 134
7.5 總結(jié) 134
附錄 135
參考文獻(xiàn) 136

第8章 電容式MEMS陀螺儀接口電路 139
8.1 MEMS陀螺儀工作原理 139
8.1.1 科里奧利效應(yīng) 139
8.1.2 驅(qū)動(dòng)模式的激勵(lì) 142
8.1.3 匹配與不匹配模式 144
8.2 讀出電路 145
8.2.1 連續(xù)時(shí)間感測(cè)技術(shù) 145
8.2.1.1 開環(huán)放大器 146
8.2.1.2 跨阻抗放大器 148
8.2.2 離散時(shí)間采樣 149
8.2.3 討論 152
8.3 非理想因素的考慮 152
8.3.1 正交誤差 153
8.3.2 直接耦合運(yùn)動(dòng) 153
8.3.3 驅(qū)動(dòng)電路中的相位問(wèn)題 154
8.4 總結(jié) 154
參考文獻(xiàn) 155

第9章 堅(jiān)固耐用高性能陀螺儀系統(tǒng)中的機(jī)電電路 156
9.1 概述 156
9.2 振動(dòng)陀螺儀的工作原理 156
9.3 數(shù)字陀螺儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 159
9.3.1 陀螺儀信號(hào)處理電路中理想的CMOS系統(tǒng)設(shè)計(jì) 160
9.4 陀螺儀的誤差源 161
9.4.1 偏移誤差 161
9.4.2 正交誤差 161
9.4.3 驅(qū)動(dòng)相位誤差 161
9.4.4 隨時(shí)間和溫度漂移 162
9.5 誤差校正技術(shù)和機(jī)電電路 162
9.5.1 偏移誤差校正技術(shù) 162
9.5.2 正交誤差校正技術(shù) 162
9.5.3 驅(qū)動(dòng)相位校正技術(shù) 164
9.5.4 隨時(shí)間和溫度漂移 164
9.6 驅(qū)動(dòng)電路 164
9.6.1 以振蕩器為基礎(chǔ)的電路 164
9.6.2 以鎖相電路為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)電路 165
9.6.3 振幅調(diào)整電路 166
9.7 可靠性 167
9.7.1 連續(xù)自檢測(cè) 167
9.7.2 故障監(jiān)測(cè) 168
9.7.3 溫度補(bǔ)償 168
9.8 完整的系統(tǒng) 168
9.9 新穎應(yīng)用 169
9.9.1 光學(xué)穩(wěn)像 169
9.9.2 游戲 170
9.9.3 三維運(yùn)動(dòng)捕獲 171
9.9.4 電子穩(wěn)定性控制 172
9.9.5 導(dǎo)航 172
致謝 173
參考文獻(xiàn) 173
第Ⅱ部分 以MEMS為基礎(chǔ)的新穎應(yīng)用
第10章 移動(dòng)通信系統(tǒng)中的體聲波諧振器 176
10.1 BAW諧振器概念 176
10.1.1 BAW諧振器的結(jié)構(gòu)形式 177
10.1.2 壓電性和阻抗曲線 178
10.2 BAW模型 179
10.2.1 以物理學(xué)為基礎(chǔ)的一維梅森模型 179
10.2.2 改進(jìn)型巴特沃斯·范·戴克模型 181
10.3 BAW諧振器的重要性能參數(shù) 182
10.3.1 有效耦合系數(shù) k2eff 182
10.3.2 品質(zhì)因數(shù) Q 183
10.3.3 k2eff和 Q 184
10.4 損耗機(jī)理和 Q 185
10.4.1 聲波透過(guò)多反射層的泄漏 185
10.4.1.1 品質(zhì)因數(shù)和透射率 186
10.5 BAW諧振器測(cè)量技術(shù) 187
10.5.1 測(cè)量設(shè)備 187
10.5.2 高 Q值SMR 188
10.6 總結(jié) 191
致謝 191
參考文獻(xiàn) 191

第11章 空氣環(huán)境中的寬帶超聲波發(fā)射機(jī)和傳感器陣列 194
11.1 概述 194
11.2 超聲波換能器技術(shù) 194
11.2.1 壓電換能器 195
11.2.2 聚偏二氟乙烯換能器 196
11.2.3 機(jī)電薄膜換能器 196
11.2.4 電容式MEMS超聲波換能器 196
11.3 寬帶換能器 197
11.3.1 壓電帶寬調(diào)整技術(shù) 197
11.3.2 電容式MEMS CMUT的傳感器陣列 200
11.4 評(píng)價(jià) 201
11.4.1 評(píng)價(jià)方法 201
11.4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果 202
11.5 應(yīng)用 206
11.5.1 本地定位系統(tǒng) 206
11.5.2 信號(hào)處理算法 206
11.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 208
11.6 總結(jié) 210
致謝 210
參考文獻(xiàn) 210

第12章 以MEMS為基礎(chǔ)的層狀光柵傅里葉變換光譜儀 213
12.1 概述 213
12.1.1 MEMS驅(qū)動(dòng)的FTIR光譜儀的研究 213
12.1.2 以層狀光柵干涉儀為基礎(chǔ)的FTIR光譜儀的工作原理 214
12.2 MEMS驅(qū)動(dòng)的層狀光柵FTIR光譜儀 215
12.2.1 光譜儀設(shè)計(jì) 216
12.2.2 制造工藝 217
12.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 217
12.3 諧振掃描MEMS層狀光柵傅里葉變換光譜儀 220
12.3.1 諧振掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 220
12.3.2 設(shè)備操作和測(cè)量裝置 220
12.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 221
12.3.4 測(cè)試與特性 224
12.4 靜態(tài)MEMS層狀光柵傅里葉變換光譜儀 227
12.4.1 靜態(tài)傅里葉光譜儀簡(jiǎn)介 227
12.4.2 MEMS靜態(tài)層狀光柵傅里葉變換光譜儀的設(shè)計(jì) 227
12.4.3 制造和裝配工藝 228
12.4.4 光譜儀的標(biāo)定和測(cè)試 229
12.5 總結(jié) 230
參考文獻(xiàn) 231

第13章 射頻應(yīng)用中的MEMS諧振器 233
13.1 概述 233
13.2 MEMS諧振器基礎(chǔ)知識(shí) 233
13.2.1 工作原理 233
13.2.2 品質(zhì)因數(shù)定義 234
13.2.3 電容式換能器和感測(cè)技術(shù) 235
13.2.4 MEMS諧振器模型 236
13.2.5 MEMS諧振器的非線性效應(yīng) 238
13.2.5.1 頻率調(diào)整 239
13.2.5.2 吸合電壓 239
13.2.5.3 功率 239
13.2.6 MEMS諧振器的能耗機(jī)理 240
13.2.6.1 氣體阻尼 240
13.2.6.2 錨固損耗 240
13.2.6.3 熱彈性阻尼 240
13.2.6.4 外部電路對(duì) Q值的影響 240
13.3 MEMS諧振器的應(yīng)用 241
13.3.1 以MEMS諧振器為基礎(chǔ)的濾波器 241
13.3.2 以MEMS諧振器為基礎(chǔ)的振蕩器 241
13.3.3 其他應(yīng)用 242
13.4 MEMS諧振器發(fā)展史 242
13.5 以MEMS為基礎(chǔ)的無(wú)線電收發(fā)機(jī) 247
13.6 含有MEMS諧振器的機(jī)械電路 249
13.6.1 以MEMS諧振器為基礎(chǔ)的濾波器 249
13.6.2 MEMS諧振器陣列 253
13.7 案例研究:MEMS諧振器的研制 256
13.7.1 與CMOS兼容的可調(diào)諧固支梁結(jié)構(gòu)諧振器 256
13.7.2 自由梁諧振器 257
13.7.3 徑向盤式諧振器 259
13.8 案例研究:以諧振器為基礎(chǔ)的系統(tǒng) 261
13.8.1 MEMS諧振器陣列振蕩器 261
13.8.2 以可編程MEMS諧振器為基礎(chǔ)的頻移鍵控發(fā)射機(jī) 263
參考文獻(xiàn) 265

第14章 利用便攜式慣性和磁MEMS傳感器組件及航跡推算法完成姿態(tài)重建和 實(shí)現(xiàn)剛體運(yùn)動(dòng)的捕獲:生物信標(biāo)跟蹤記錄應(yīng)用 269
14.1 概述 269
14.2 動(dòng)機(jī)和問(wèn)題 270
14.3 材料和方法 271
14.3.1 剛體姿態(tài)和坐標(biāo)系 271
14.3.2 姿態(tài)表達(dá)式的數(shù)學(xué)模型 271
14.3.3 三軸慣性/磁性傳感器包的測(cè)量模型 272
14.3.3.1 三軸加速度計(jì) 272
14.3.3.2 三軸磁力計(jì) 272
14.3.3.3 三軸陀螺儀 272
14.4 姿態(tài)估算的設(shè)計(jì)方法:互補(bǔ)濾波器 272
14.4.1 剛體運(yùn)動(dòng)方程 273
14.4.2 設(shè)計(jì)態(tài)模式 273
14.4.3 姿態(tài)互補(bǔ)濾波器 273
14.5 試驗(yàn)驗(yàn)證 275
14.5.1 姿態(tài)估算試驗(yàn)設(shè)備:慣性測(cè)量裝置MTi- G 275
14.5.2 對(duì)動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)的估算試驗(yàn)和分析 275
14.6 對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的三維位置估算 277
14.6.1 采用推算技術(shù)的三維位置估算法 277
14.6.2 人體步行運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 279
14.7 總結(jié) 282
致謝 282
參考文獻(xiàn) 282

第15章 無(wú)線遙控MEMS致動(dòng)器和應(yīng)用 285
15.1 概述 285
15.2 熱微致動(dòng)器的無(wú)線致動(dòng):工作原理 287
15.3 水凝膠的射頻致動(dòng)和植入式輸藥器件中的應(yīng)用 288
15.4 無(wú)線SMA微夾鉗 291
15.5 多微致動(dòng)器的無(wú)線控制 294
15.6 總結(jié) 299
致謝 299
參考文獻(xiàn) 299

第16章 先進(jìn)MEMS觸覺傳感和致動(dòng)技術(shù) 303
16.1 概述 303
16.1.1 MEMS觸覺傳感器的致動(dòng)器材料 303
16.1.2 觸覺 303
16.2 觸覺傳感器 306
16.2.1 電容式傳感器 306
16.2.2 應(yīng)變片和壓阻傳感器 309
16.2.3 壓電傳感器 311
16.2.4 導(dǎo)電聚合物傳感器 312
16.2.5 光學(xué)傳感器 315
16.2.6 磁感應(yīng)傳感器 317
16.3 觸覺致動(dòng)器 319
16.3.1 壓電致動(dòng)器 320
16.3.2 電活性聚合物致動(dòng)器 321
16.3.3 形狀記憶合金致動(dòng)器 323
16.3.4 磁致動(dòng)器 323
16.4 總結(jié) 325
參考文獻(xiàn) 328

第17章 以MEMS為基礎(chǔ)的微加熱板裝置 331
17.1 目前技術(shù)水平 331
17.2 微加熱板設(shè)計(jì)過(guò)程 332
17.2.1 微加熱板中的熱能量傳輸 333
17.2.1.1 熱傳導(dǎo) 333
17.2.1.2 熱對(duì)流 333
17.2.1.3 熱輻射 334
17.2.2 加熱板設(shè)計(jì) 335
17.2.3 加熱器和溫度傳感器設(shè)計(jì) 337
17.2.3.1 材料方面考慮 337
17.2.3.2 加熱器和溫度傳感器設(shè)計(jì) 337
17.2.4 微加熱板的有限元分析法 337
17.3 制造技術(shù) 339
17.4 微加熱板特性 341
17.4.1 靜電學(xué)研究 341
17.4.2 瞬態(tài)研究 342
17.4.3 進(jìn)一步開展研究的建議 342
17.5 金屬氧化物氣體傳感器的微加熱板 343
17.6 熱輻射器微加熱板 344
致謝 346
參考文獻(xiàn) 346

第18章 采用慣性傳感器的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 348
18.1 慣性測(cè)量裝置 348
18.1.1 慣性導(dǎo)航 348
18.1.2 MEMS IMU的誤差特性 349
18.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 351
18.2.1 物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層 351
18.2.2 網(wǎng)絡(luò) 352
18.2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān) 353
18.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)慣性傳感器 353
18.3.1 硬件設(shè)計(jì) 354
18.3.2 天線 355
18.3.3 軟件設(shè)計(jì) 357
18.4 應(yīng)用 358
18.5 總結(jié) 360
參考文獻(xiàn) 360

第19章 有線和無(wú)線應(yīng)用中的被動(dòng)射頻聲波傳感器和系統(tǒng) 362
19.1 概述 362
19.2 聲波射頻傳感器的基本原理 363
19.2.1 表面聲波傳感器 364
19.2.2 體聲波傳感器 365
19.2.3 傳感器中其他類型的聲波換能器 366
19.2.4 理論要素 366
19.3 查詢技術(shù) 368
19.3.1 有線技術(shù) 368
19.3.1.1 延遲線法 369
19.3.1.2 振蕩器法 370
19.3.2 無(wú)線技術(shù) 372
19.3.2.1 以諧振器為基礎(chǔ)的系統(tǒng) 372
19.3.2.2 表面聲波標(biāo)簽器件和解調(diào)原理 373
19.3.2.3 超寬帶技術(shù) 375
19.4 聲波射頻傳感器系統(tǒng)的有效實(shí)施 377
19.4.1 溫度測(cè)量 377
19.4.2 溫度和壓力傳感器 377
19.4.3 化學(xué)傳感器實(shí)例:氫氣檢測(cè) 379
19.5 總結(jié) 380
致謝 381
參考文獻(xiàn) 381