本書結合微系統(tǒng)（MEMS）技術的基礎理論、典型器件和發(fā)展趨勢，介紹微系統(tǒng)的力學、電學和物理學基本理論，針對典型器件的分析設計方法和制造技術，以及多個前沿應用領域，力爭成為具有一定深度和廣度的MEMS領域的教材和實用參考書。主要內(nèi)容包括：微系統(tǒng)基本理論、制造技術、微型傳感器、微型執(zhí)行器、RF MEMS、光學MEMS、BioMEMS，以及微流體和芯片實驗室。
本書自2008年出版以來，正值MEMS歷史上發(fā)展最快的時期。以智能手機和汽車為代表的應用領域拉動MEMS高速發(fā)展，全球MEMS產(chǎn)品的產(chǎn)值從2008年的55億美元迅速增長到2013年的124億美元，預計到2018年全球MEMS芯片供貨將超過235億顆，產(chǎn)值將達到225億美元。作為智能手機和平板電腦等產(chǎn)品的主要制造國，國內(nèi)消耗了全球25%以上的MEMS產(chǎn)品，巨大的市場和技術進步也推動國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)開始初現(xiàn)端倪。傳統(tǒng)MEMS器件日趨成熟，多種MEMS產(chǎn)品先后推向市場，學術研究向納米、生物和多學科融合的方向發(fā)展，而產(chǎn)業(yè)界向集成、低成本、小體積和多功能的方向發(fā)展。
本書第二版仍定位為具有一定深度和廣度的微系統(tǒng)專業(yè)教材，著重提取基礎、重點和共性知識，強調(diào)基礎理論和制造方法在不同領域的應用，并緊密結合前沿的學術研究和工業(yè)界的產(chǎn)品發(fā)展動態(tài)。本書第二版仍舊保持了第一版的結構，并且進一步強調(diào)設計與制造相結合、前沿與基礎相結合，在補充和增強實際MEMS產(chǎn)品的同時，嘗試提取共性知識作為基本學習內(nèi)容，并且增強了結構設計、制造工藝、圓片級真空封裝、噪聲等MEMS器件開發(fā)過程中的主要環(huán)節(jié)。
針對本書的定位和MEMS領域的發(fā)展趨勢，第二版做出以下的修訂和調(diào)整： ①補充更多產(chǎn)品分析實例。考慮到量產(chǎn)產(chǎn)品在結構、制造和可靠性方面的優(yōu)點，補充了部分量產(chǎn)壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺、麥克風、諧振器等產(chǎn)品作為MEMS器件的舉例，有助于全面和深入理解MEMS的技術特征和發(fā)展狀況，并使本書的實例和前沿內(nèi)容更加豐富。②增添了新技術內(nèi)容。根據(jù)近年MEMS產(chǎn)品和技術的發(fā)展趨勢，第二版中增加了微懸臂梁傳感器、圓片級真空封裝、鍵合、三維集成以及深刻蝕等內(nèi)容，并增加了傳感器噪聲等重要的基礎內(nèi)容。③增加了習題。在主要章節(jié)增加了習題，使本書更適合作為教材使用。④大幅刪減了基礎內(nèi)容。由于篇幅的限制，第二版刪除了第一版關于基礎力學和半導體工藝的內(nèi)容，并刪除了一些舉例。⑤修訂第一版的一些錯誤。
本書第一版出版以來，有幸被近十所院校采用為MEMS課程的教材，部分授課教師對本書提出了一些建議，一些熱心的讀者和清華大學的學生相繼指出了第一版中存在的一些錯誤，作者在此深表謝意。正是這些讀者的支持，使編者有動力花費大量的時間去完善出版本書的第二版。編者還要感謝清華大學微電子所的領導和同事、國內(nèi)MEMS領域的同仁，以及清華大學出版社的文怡編輯，他們對本書的出版給予了大力的支持。
由于編者的水平、知識背景和研究方向的限制，書中難免存在錯誤和遺漏之處，懇請各位讀者、專家和MEMS領域的研究人員不吝指正。
王喆垚
2015年6月于清華大學
第1章微系統(tǒng)概述
1.1微系統(tǒng)的概念
1.2微系統(tǒng)的特點
1.2.1MEMS的典型特點
1.2.2尺寸效應
1.3MEMS的實現(xiàn)
1.3.1MEMS設計
1.3.2建模、模擬與數(shù)值計算
1.3.3MEMS制造
1.4微系統(tǒng)的歷史、發(fā)展與產(chǎn)業(yè)狀況
1.4.1歷史
1.4.2產(chǎn)業(yè)狀況
1.4.3發(fā)展趨勢
參考文獻
本章習題
第2章力學基礎
2.1材料的基本常數(shù)
2.1.1硅的彈性模量
2.1.2熱學參數(shù)
2.2彈性梁
2.2.1梁的基本方程
2.2.2懸臂梁
2.2.3雙端支承梁
2.2.4折線彈性支承梁
2.3薄板結構
2.3.1矩形薄板
2.3.2圓形薄板
2.3.3動力學——瑞利法
2.4流體力學
2.4.1流體力學基本概念
2.4.2流體阻尼
參考文獻
本章習題
第3章微系統(tǒng)制造技術
3.1MEMS常用材料及光刻技術
3.1.1MEMS常用材料
3.1.2MEMS光刻
3.2體微加工技術
3.2.1濕法刻蝕
3.2.2干法深刻蝕
3.3表面微加工技術
3.3.1表面微加工
3.3.2薄膜的殘余應力
3.3.3表面微加工的應用和發(fā)展
3.4鍵合
3.4.1鍵合原理
3.4.2鍵合對準方法
3.4.3直接鍵合
3.4.4陽極鍵合
3.4.5金屬中間層鍵合
3.4.6高分子鍵合
3.5高深寬比結構與工藝集成
3.5.1高深寬比結構的制造方法
3.5.2工藝集成
3.5.3MEMS代工制造
3.6MEMS與CMOS的集成技術
3.6.1單片集成技術
3.6.2三維集成技術
3.7MEMS封裝技術
3.7.1MEMS封裝
3.7.2三維圓片級真空封裝
參考文獻
本章習題
第4章微型傳感器
4.1微型傳感器的敏感機理
4.1.1壓阻式傳感器
4.1.2電容式傳感器
4.1.3壓電式傳感器
4.1.4諧振式傳感器
4.1.5隧穿效應
4.2壓力傳感器
4.2.1壓力傳感器的建模
4.2.2壓阻式壓力傳感器
4.2.3電容式壓力傳感器
4.2.4諧振式壓力傳感器
4.3麥克風
4.3.1麥克風的建模
4.3.2電容式麥克風
4.3.3集成麥克風
4.4加速度傳感器
4.4.1加速度傳感器的模型
4.4.2加速度傳感器的結構與測量原理
4.4.3三軸加速度傳感器
4.4.4加速度傳感器的制造
4.5微機械陀螺
4.5.1諧振式陀螺的原理
4.5.2微機械陀螺的結構與工作模式
4.5.3陀螺的微加工技術
4.6微型懸臂梁傳感器
4.6.1微型懸臂梁傳感器的敏感機理
4.6.2壓阻式微型懸臂梁傳感器的模型
4.6.3微型懸臂梁傳感器的制造方法
4.6.4微型懸臂梁傳感器的應用
4.7傳感器噪聲
4.7.1噪聲的來源
4.7.2電學噪聲
4.7.3熱力學噪聲
4.7.4MEMS傳感器噪聲
參考文獻
本章習題
第5章微型執(zhí)行器
5.1靜電執(zhí)行器
5.1.1平板電容執(zhí)行器
5.1.2梳狀叉指電極執(zhí)行器
5.1.3靜電馬達
5.1.4直線步進執(zhí)行器
5.2壓電執(zhí)行器
5.2.1線性壓電執(zhí)行器
5.2.2彎曲壓電執(zhí)行器
5.3磁執(zhí)行器
5.3.1微型磁執(zhí)行器的力和能量
5.3.2線性執(zhí)行器
5.3.3扭轉執(zhí)行器
5.4電熱執(zhí)行器
5.4.1一維熱傳導模型
5.4.2V形執(zhí)行器
5.4.3雙膜片執(zhí)行器
5.4.4冷熱臂執(zhí)行器
5.4.5熱氣驅動
5.5微泵
5.5.1往復位移微泵
5.5.2蠕動微泵
5.5.3其他微泵
參考文獻
本章習題
第6章射頻MEMS
6.1RF MEMS概述
6.1.1RF MEMS器件
6.1.2基于RF MEMS的收發(fā)器前端結構
6.2MEMS開關
6.2.1開關的類型
6.2.2MEMS開關的靜態(tài)特性
6.2.3開關的動態(tài)特性
6.2.4開關的電磁特性
6.2.5MEMS開關的制造
6.3微機械諧振器
6.3.1振動模式及靜電換能器
6.3.2彎曲振動模式諧振器
6.3.3體振動模式
6.3.4厚度剪切振動模式
6.3.5MEMS諧振器的制造
6.4基于諧振器的信號處理器
6.4.1低損耗窄帶HF和MF濾波器
6.4.2混頻濾波器
6.4.3本機振蕩器
6.5可調(diào)電容、電感與壓控振蕩器
6.5.1可調(diào)電容
6.5.2電感
6.5.3壓控振蕩器
參考文獻
本章習題
第7章光學MEMS
7.1MEMS微鏡
7.1.1MEMS材料與結構的光學性質
7.1.2MEMS微鏡的設計
7.1.3微鏡的制造
7.1.4微鏡的驅動與控制
7.2光通信器件
7.2.1MEMS光開關
7.2.2可變光學衰減器
7.3顯示器件
7.3.1反射微鏡DMD
7.3.2光柵光閥GLV
7.3.3其他MEMS顯示器件
7.4其他光學MEMS器件
7.4.1自適應光學可變形微鏡
7.4.2光學平臺掃描微鏡
7.4.3菲涅耳微透鏡
7.4.4可調(diào)激光器
參考文獻
第8章生物醫(yī)學MEMS
8.1藥物釋放
8.1.1生物膠囊和微粒
8.1.2微針
8.1.3可植入主動藥物釋放
8.2生物醫(yī)學傳感器
8.2.1醫(yī)學平臺傳感器
8.2.2個人及可穿戴傳感器
8.2.3可植入傳感器
8.3執(zhí)行器
8.4神經(jīng)微電極與探針
8.4.1高密度神經(jīng)探針陣列
8.4.2無線接口可植入神經(jīng)探針
8.5組織工程
8.5.1支架制備
8.5.2細胞培養(yǎng)
8.5.3細胞圖形化和培養(yǎng)
8.6細胞與分子操作
參考文獻
第9章微流體與芯片實驗室
9.1概述
9.1.1LOC的發(fā)展歷史
9.1.2LOC的特點
9.1.3微流體的特性
9.2軟光刻技術
9.2.1軟光刻與高分子聚合物
9.2.2軟光刻母版和彈性印章
9.2.3軟光刻圖形復制
9.2.4軟光刻制造微流體管道
9.3微流體的驅動與輸運
9.3.1機械驅動
9.3.2電動力驅動
9.4LOC與微流體的基本操作
9.4.1試樣預處理
9.4.2混合
9.4.3分離
9.4.4DNA放大——PCR
9.4.5集成試樣處理系統(tǒng)
9.5檢測技術
9.5.1光學檢測
9.5.2電化學檢測
9.5.3質譜檢測
9.6LOC的應用
9.6.1細胞生物學及干細胞工程
9.6.2微流體DNA芯片
9.6.3蛋白質分析
參考文獻
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