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| 編輯推薦： |
本书汇集了微机电技术领域内的多位专家，力图解读过去十多年MEMS行业的爆炸式增长，以及在各种科学技术领域的广泛应用。
本书由两部分十九章组成，既阐述了MEMS的理论基础和技术基础，同时也介绍了MEMS器件及系统的发展，并详细分析了相关系统的集成和在各学科领域的应用实例。
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| 內容簡介： |
本书共19章，分为两大部分：第1～9章为突破性技术部分，讨论各类新型微机电系统（MEMS）器件;第10～19章属应用部分，详细阐述以MEMS为基础的各种新颖的应用。本书各章都具有完整性，既可以单独阅读，也可与其他章节连贯阅读。
本书可供智能系统、军事、航空航天、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域从事相关MEMS传感器、芯片及系统应用工作的工程师和设计师阅读，也可用作大专院校相关专业本科生、研究生和教师的参考书。
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| 目錄：
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目 录
译者序
原书前言
第Ⅰ部分 突破性技术
第1章 技术突破微系统到微纳米系统2
1.1 从微电子到微系统2
1.1.1 安装有移动部件的微机械装置2
1.1.2 微机械装置中力矩和功率的提高4
1.1.2.1 LIGA技术4
1.1.2.2 抓扒式驱动技术5
1.1.3 微系统的主要应用领域5
1.1.3.1 初期（2000年之前）的应用领域5
1.1.3.2 微系统与纳米技术相结合之后的探索性应用6
1.2 微系统：纳米技术与宏观领域间的联系12
1.3 自下而上纳米技术：纳米机电系统的未来13
1.4 总结和展望15
致谢15
参考文献15
第2章 MEMS中的高 k电介质HfO2 17
2.1 概述17
2.2 HfO2薄膜制造技术18
2.2.1 不同的镀膜技术18
2.2.2 镀膜和热生长层18
2.3 界面掺杂19
2.3.1 碳掺杂19
2.3.2 电气参数的变化20
2.3.3 利用电极极化模型分析缺陷密度22
2.4 辐射测试技术24
2.4.1 辐照前HfO2器件的缺陷24
2.4.1.1 电容-电压特性24
2.4.1.2 电流-电压特性26
2.4.2 辐射造成电参数的变化26
2.4.2.1 优质器件27
2.4.2.2 失效器件28
2.4.3 退火工艺研究29
2.5 总结和展望31
致谢31
参考文献32
第3章 MEMS的压电薄膜34
3.1 概述34
3.2 压电薄膜制造技术34
3.2.1 MEMS中的PZT镀膜技术34
3.2.2 喷溅镀膜技术35
3.2.3 PZT薄膜的晶体结构35
3.3 薄膜的压电性质38
3.3.1 电介质性质和铁电性质38
3.3.2 单层压电晶片致动器模型39
3.3.3 Si和MgO基板上PZT薄膜的横向压电性质40
3.3.4 金属基板上的压电PZT薄膜43
3.4 无铅压电薄膜45
3.5 利用压电薄膜制造微致动器技术47
3.5.1 压电微悬臂梁制造技术47
3.5.2 压电MEMS开关制造技术48
3.5.3 压电微型泵制造技术50
3.5.4 利用压电薄膜致动器的微光机电技术53
3.6 总结55
参考文献55
第4章 高分辨率微陀螺仪应用中的CMOS系统和界面58
4.1 概述58
4.1.1 工作原理58
4.1.2 MEMS陀螺仪的应用58
4.1.3 性能指标59
4.1.3.1 分辨率59
4.1.3.2 比例因数59
4.1.3.3 零速率输出和偏置稳定性60
4.1.3.4 带宽和动态范围60
4.1.4 微机械陀螺仪发展史60
4.2 陀螺仪的电控系统62
4.2.1 驱动电路63
4.2.2 正交调零63
4.2.3 模式匹配64
4.2.4 感测通道64
4.2.5 自检测和调整64
4.3 案例研究：模式匹配音叉陀螺仪64
4.3.1 微陀螺仪接口技术的挑战和折中65
4.3.2 微陀螺仪前端的发展史67
4.3.3 探测动电流的跨阻抗前端67
4.3.4 低噪声、宽动态范围、T网跨阻抗放大器68
4.3.4.1 设计方面的考虑69
4.3.4.2 T网跨阻抗放大器前端特性70
4.3.5 驱动和感测通道71
4.3.6 系统集成73
4.4 总结和展望75
参考文献76
第5章 体声波陀螺仪78
5.1 概述78
5.2 工作原理78
5.3 体声波陀螺仪的设计80
5.3.1 角度增益评估81
5.3.2 灵敏度分析82
5.3.3 分辨率分析83
5.3.4 动态范围84
5.3.5 热弹性阻尼85
5.4 体声波陀螺仪的实施方案86
5.4.1 （100）单晶硅实施方案86
5.4.2 制造方法88
5.5 体声波陀螺仪的测量技术89
5.5.1 频率特性和模态匹配89
5.5.2 性能特性90
5.5.3 品质因数特性91
5.6 总结93
致谢93
参考文献94
第6章 CMOSMEMS集成系统中机械挠性互连技术和硅通孔技术的应用96
6.1 概述96
6.2 MEMS和电路集成的必要性97
6.3 普通集成技术97
6.3.1 单板集成技术97
6.3.2 混合集成技术98
6.3.3 新兴集成技术及CMOS和MEMS的三维集成技术99
6.4 挠性IO和挠性机械连接（MFI）技术100
6.5 案例研究：MFI技术101
6.5.1 对焊料的限制103
6.5.1.1 MFI制造技术103
6.5.1.2 MFI机械性能测试技术104
6.6 案例研究：MEMS的TSV技术106
6.6.1 厚芯片上制造TSV的挑战性106
6.6.1.1 应力106
6.6.2 籽晶层制造技术107
6.6.3 无需化学机械抛光工序的MEMS TSV制造技术108
6.7 总结109
参考文献109
第7章 压电MEMS振动能量采集器模型113
7.1 为何采用环境能量采集器113
7.1.1 系统总体结构113
7.1.2 尺寸问题114
7.1.3 环境机械振动114
7.2 通用模型115
7.2.1 一维模型115
7.2.2 输出功率117
7.2.3 最佳电阻负载118
7.2.4 阻尼的影响118
7.2.5 临界耦合119
7.2.6 压电材料比较121
7.3 悬臂梁模型122
7.3.1 MEMS特性122
7.3.2 薄膜压电材料122
7.3.3 建模器件的几何形状124
7.3.4 边界条件125
7.3.5 压电耦合125
7.3.6 阻尼类型126
7.3.7 系统动力学126
7.3.8 建模结果127
7.3.9 与有限元分析法比较127
7.3.10 与实验数据比较129
7.3.11 结构优化130
7.4 完整的系统建模132
7.4.1 设计流程132
7.4.2 模型定义133
7.4.3 评价134
7.4.4 工艺变量134
7.5 总结134
附录135
参考文献136
第8章 电容式MEMS陀螺仪接口电路139
8.1 MEMS陀螺仪工作原理139
8.1.1 科里奥利效应139
8.1.2 驱动模式的激励142
8.1.3 匹配与不匹配模式144
8.2 读出电路145
8.2.1 连续时间感测技术145
8.2.1.1 开环放大器146
8.2.1.2 跨阻抗放大器148
8.2.2 离散时间采样149
8.2.3 讨论152
8.3 非理想因素的考虑152
8.3.1 正交误差153
8.3.2 直接耦合运动153
8.3.3 驱动电路中的相位问题154
8.4 总结154
参考文献155
第9章 坚固耐用高性能陀螺仪系统中的机电电路156
9.1 概述156
9.2 振动陀螺仪的工作原理156
9.3 数字陀螺仪的系统设计159
9.3.1 陀螺仪信号处理电路中理想的CMOS系统设计160
9.4 陀螺仪的误差源161
9.4.1 偏移误差161
9.4.2 正交误差161
9.4.3 驱动相位误差161
9.4.4 随时间和温度漂移162
9.5 误差校正技术和机电电路162
9.5.1 偏移误差校正技术162
9.5.2 正交误差校正技术162
9.5.3 驱动相位校正技术164
9.5.4 随时间和温度漂移164
9.6 驱动电路164
9.6.1 以振荡器为基础的电路164
9.6.2 以锁相电路为基础的驱动电路165
9.6.3 振幅调整电路166
9.7 可靠性167
9.7.1 连续自检测167
9.7.2 故障监测168
9.7.3 温度补偿168
9.8 完整的系统168
9.9 新颖应用169
9.9.1 光学稳像169
9.9.2 游戏170
9.9.3 三维运动捕获171
9.9.4 电子稳定性控制172
9.9.5 导航172
致谢173
参考文献173
第Ⅱ部分 以MEMS为基础的新颖应用
第10章 移动通信系统中的体声波谐振器176
10.1 BAW谐振器概念176
10.1.1 BAW谐振器的结构形式177
10.1.2 压电性和阻抗曲线178
10.2 BAW模型179
10.2.1 以物理学为基础的一维梅森模型179
10.2.2 改进型巴特沃斯范戴克模型181
10.3 BAW谐振器的重要性能参数182
10.3.1 有效耦合系数 k2eff 182
10.3.2 品质因数 Q183
10.3.3 k2eff和 Q184
10.4 损耗机理和 Q185
10.4.1 声波透过多反射层的泄漏185
10.4.1.1 品质因数和透射率186
10.5 BAW谐振器测量技术187
10.5.1 测量设备187
10.5.2 高 Q值SMR188
10.6 总结191
致谢191
参考文献191
第11章 空气环境中的宽带超声波发射机和传感器阵列194
11.1 概述194
11.2 超声波换能器技术194
11.2.1 压电换能器195
11.2.2 聚偏二氟乙烯换能器196
11.2.3 机电薄膜换能器196
11.2.4 电容式MEMS超声波换能器196
11.3 宽带换能器197
11.3.1 压电带宽调整技术197
11.3.2 电容式MEMS CMUT的传感器阵列200
11.4 评价201
11.4.1 评价方法201
11.4.2 评价结果202
11.5 应用206
11.5.1 本地定位系统206
11.5.2 信号处理算法206
11.5.3 实验结果208
11.6 总结210
致谢210
参考文献210
第12章 以MEMS为基础的层状光栅傅里叶变换光谱仪213
12.1 概述213
12.1.1 MEMS驱动的FTIR光谱仪的研究213
12.1.2 以层状光栅干涉仪为基础的FTIR光谱仪的工作原理214
12.2 MEMS驱动的层状光栅FTIR光谱仪215
12.2.1 光谱仪设计216
12.2.2 制造工艺217
12.2.3 实验结果217
12.3 谐振扫描MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪220
12.3.1 谐振扫描技术的优点220
12.3.2 设备操作和测量装置220
12.3.3 数据采集系统221
12.3.4 测试与特性224
12.4 静态MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪227
12.4.1 静态傅里叶光谱仪简介227
12.4.2 MEMS静态层状光栅傅里叶变换光谱仪的设计227
12.4.3 制造和装配工艺228
12.4.4 光谱仪的标定和测试229
12.5 总结230
参考文献231
第13章 射频应用中的MEMS谐振器233
13.1 概述233
13.2 MEMS谐振器基础知识233
13.2.1 工作原理233
13.2.2 品质因数定义234
13.2.3 电容式换能器和感测技术235
13.2.4 MEMS谐振器模型236
13.2.5 MEMS谐振器的非线性效应238
13.2.5.1 频率调整239
13.2.5.2 吸合电压239
13.2.5.3 功率239
13.2.6 MEMS谐振器的能耗机理240
13.2.6.1 气体阻尼240
13.2.6.2 锚固损耗240
13.2.6.3 热弹性阻尼240
13.2.6.4 外部电路对 Q值的影响240
13.3 MEMS谐振器的应用241
13.3.1 以MEMS谐振器为基础的滤波器241
13.3.2 以MEMS谐振器为基础的振荡器241
13.3.3 其他应用242
13.4 MEMS谐振器发展史242
13.5 以MEMS为基础的无线电收发机247
13.6 含有MEMS谐振器的机械电路249
13.6.1 以MEMS谐振器为基础的滤波器249
13.6.2 MEMS谐振器阵列253
13.7 案例研究：MEMS谐振器的研制256
13.7.1 与CMOS兼容的可调谐固支梁结构谐振器256
13.7.2 自由梁谐振器257
13.7.3 径向盘式谐振器259
13.8 案例研究：以谐振器为基础的系统261
13.8.1 MEMS谐振器阵列振荡器261
13.8.2 以可编程MEMS谐振器为基础的频移键控发射机263
参考文献265
第14章 利用便携式惯性和磁MEMS传感器组件及航迹推算法完成姿态重建和 实现刚体运动的捕获：生物信标跟踪记录应用269
14.1 概述269
14.2 动机和问题270
14.3 材料和方法271
14.3.1 刚体姿态和坐标系271
14.3.2 姿态表达式的数学模型271
14.3.3 三轴惯性磁性传感器包的测量模型272
14.3.3.1 三轴加速度计272
14.3.3.2 三轴磁力计272
14.3.3.3 三轴陀螺仪272
14.4 姿态估算的设计方法：互补滤波器272
14.4.1 刚体运动方程273
14.4.2 设计态模式273
14.4.3 姿态互补滤波器273
14.5 试验验证275
14.5.1 姿态估算试验设备：惯性测量装置MTi- G275
14.5.2 对动物自由运动的估算试验和分析275
14.6 对步行运动的三维位置估算277
14.6.1 采用推算技术的三维位置估算法277
14.6.2 人体步行运动的实验结果279
14.7 总结282
致谢282
参考文献282
第15章 无线遥控MEMS致动器和应用285
15.1 概述285
15.2 热微致动器的无线致动：工作原理287
15.3 水凝胶的射频致动和植入式输药器件中的应用288
15.4 无线SMA微夹钳291
15.5 多微致动器的无线控制294
15.6 总结299
致谢299
参考文献299
第16章 先进MEMS触觉传感和致动技术303
16.1 概述303
16.1.1 MEMS触觉传感器的致动器材料303
16.1.2 触觉303
16.2 触觉传感器306
16.2.1 电容式传感器306
16.2.2 应变片和压阻传感器309
16.2.3 压电传感器311
16.2.4 导电聚合物传感器312
16.2.5 光学传感器315
16.2.6 磁感应传感器317
16.3 触觉致动器319
16.3.1 压电致动器320
16.3.2 电活性聚合物致动器321
16.3.3 形状记忆合金致动器323
16.3.4 磁致动器323
16.4 总结325
参考文献328
第17章 以MEMS为基础的微加热板装置331
17.1 目前技术水平331
17.2 微加热板设计过程332
17.2.1 微加热板中的热能量传输333
17.2.1.1 热传导333
17.2.1.2 热对流333
17.2.1.3 热辐射334
17.2.2 加热板设计335
17.2.3 加热器和温度传感器设计337
17.2.3.1 材料方面考虑337
17.2.3.2 加热器和温度传感器设计337
17.2.4 微加热板的有限元分析法337
17.3 制造技术339
17.4 微加热板特性341
17.4.1 静电学研究341
17.4.2 瞬态研究342
17.4.3 进一步开展研究的建议342
17.5 金属氧化物气体传感器的微加热板343
17.6 热辐射器微加热板344
致谢346
参考文献346
第18章 采用惯性传感器的无线传感器网络348
18.1 惯性测量装置348
18.1.1 惯性导航348
18.1.2 MEMS IMU的误差特性349
18.2 无线传感器网络351
18.2.1 物理层和介质访问控制层351
18.2.2 网络352
18.2.3 无线传感器网络的网关353
18.3 无线传感器网络惯性传感器353
18.3.1 硬件设计354
18.3.2 天线355
18.3.3 软件设计357
18.4 应用358
18.5 总结360
参考文献360
第19章 有线和无线应用中的被动射频声波传感器和系统362
19.1 概述362
19.2 声波射频传感器的基本原理363
19.2.1 表面声波传感器364
19.2.2 体声波传感器365
19.2.3 传感器中其他类型的声波换能器366
19.2.4 理论要素366
19.3 查询技术368
19.3.1 有线技术368
19.3.1.1 延迟线法369
19.3.1.2 振荡器法370
19.3.2 无线技术372
19.3.2.1 以谐振器为基础的系统372
19.3.2.2 表面声波标签器件和解调原理373
19.3.2.3 超宽带技术375
19.4 声波射频传感器系统的有效实施377
19.4.1 温度测量377
19.4.2 温度和压力传感器377
19.4.3 化学传感器实例：氢气检测379
19.5 总结380
致谢381
参考文献381
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