目 錄
譯者序
原書前言
第Ⅰ部分 突破性技術
第1章 技術突破———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 安裝有移動部件的微機械裝置 2
1.1.2 微機械裝置中力矩和功率的提高 4
1.1.2.1 LIGA技術 4
1.1.2.2 抓扒式驅動技術 5
1.1.3 微系統(tǒng)的主要應用領域 5
1.1.3.1 初期（2000年之前）的應用領域 5
1.1.3.2 微系統(tǒng)與納米技術相結合之后的探索性應用 6
1.2 微系統(tǒng):納米技術與宏觀領域間的聯(lián)系 12
1.3 自下而上納米技術:納米機電系統(tǒng)的未來 13
1.4 總結和展望 15
致謝 15
參考文獻 15

第2章 MEMS中的高 k電介質HfO2 17
2.1 概述 17
2.2 HfO2薄膜制造技術 18
2.2.1 不同的鍍膜技術 18
2.2.2 鍍膜和熱生長層 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 輻射測試技術 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 總結和展望 31
致謝 31
參考文獻 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 34
3.2.1 MEMS中的PZT鍍膜技術 34
3.2.2 噴濺鍍膜技術 35
3.2.3 PZT薄膜的晶體結構 35
3.3 薄膜的壓電性質 38
3.3.1 電介質性質和鐵電性質 38
3.3.2 單層壓電晶片致動器模型 39
3.3.3 Si和MgO基板上PZT薄膜的橫向壓電性質 40
3.3.4 金屬基板上的壓電PZT薄膜 43
3.4 無鉛壓電薄膜 45
3.5 利用壓電薄膜制造微致動器技術 47
3.5.1 壓電微懸臂梁制造技術 47
3.5.2 壓電MEMS開關制造技術 48
3.5.3 壓電微型泵制造技術 50
3.5.4 利用壓電薄膜致動器的微光機電技術 53
3.6 總結 55
參考文獻 55

第4章 高分辨率微陀螺儀應用中的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陀螺儀的應用 58
4.1.3 性能指標 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 帶寬和動態(tài)范圍 60
4.1.4 微機械陀螺儀發(fā)展史 60
4.2 陀螺儀的電控系統(tǒng) 62
4.2.1 驅動電路 63
4.2.2 正交調零 63
4.2.3 模式匹配 64
4.2.4 感測通道 64
4.2.5 自檢測和調整 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 探測動電流的跨阻抗前端 67
4.3.4 低噪聲、寬動態(tài)范圍、T網跨阻抗放大器 68
4.3.4.1 設計方面的考慮 69
4.3.4.2 T網跨阻抗放大器前端特性 70
4.3.5 驅動和感測通道 71
4.3.6 系統(tǒng)集成 73
4.4 總結和展望 75
參考文獻 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 體聲波陀螺儀的設計 80
5.3.1 角度增益評估 81
5.3.2 靈敏度分析 82
5.3.3 分辨率分析 83
5.3.4 動態(tài)范圍 84
5.3.5 熱彈性阻尼 85
5.4 體聲波陀螺儀的實施方案 86
5.4.1 （100）單晶硅實施方案 86
5.4.2 制造方法 88
5.5 體聲波陀螺儀的測量技術 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 品質因數(shù)特性 91
5.6 總結 93
致謝 93
參考文獻 94

第6章 CMOS/MEMS集成系統(tǒng)中機械撓性互連技術和硅通孔技術的應用 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 97
6.3.1 單板集成技術 97
6.3.2 混合集成技術 98
6.3.3 新興集成技術及CMOS和MEMS的三維集成技術 99
6.4 撓性I/O和撓性機械連接（MFI）技術 100
6.5 案例研究:MFI技術 101
6.5.1 對焊料的限制 103
6.5.1.1 MFI制造技術 103
6.5.1.2 MFI機械性能測試技術 104
6.6 案例研究:MEMS的TSV技術 106
6.6.1 厚芯片上制造TSV的挑戰(zhàn)性 106
6.6.1.1 應力 106
6.6.2 籽晶層制造技術 107
6.6.3 無需化學機械拋光工序的MEMS TSV制造技術 108
6.7 總結 109
參考文獻 109

第7章 壓電MEMS振動能量采集器模型 113
7.1 為何采用環(huán)境能量采集器 113
7.1.1 系統(tǒng)總體結構 113
7.1.2 尺寸問題 114
7.1.3 環(huán)境機械振動 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)動力學 126
7.3.8 建模結果 127
7.3.9 與有限元分析法比較 127
7.3.10 與實驗數(shù)據(jù)比較 129
7.3.11 結構優(yōu)化 130
7.4 完整的系統(tǒng)建模 132
7.4.1 設計流程 132
7.4.2 模型定義 133
7.4.3 評價 134
7.4.4 工藝變量 134
7.5 總結 134
附錄 135
參考文獻 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 139
8.1.2 驅動模式的激勵 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)時間感測技術 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 直接耦合運動 153
8.3.3 驅動電路中的相位問題 154
8.4 總結 154
參考文獻 155

第9章 堅固耐用高性能陀螺儀系統(tǒng)中的機電電路 156
9.1 概述 156
9.2 振動陀螺儀的工作原理 156
9.3 數(shù)字陀螺儀的系統(tǒng)設計 159
9.3.1 陀螺儀信號處理電路中理想的CMOS系統(tǒng)設計 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 驅動相位誤差 161
9.4.4 隨時間和溫度漂移 162
9.5 誤差校正技術和機電電路 162
9.5.1 偏移誤差校正技術 162
9.5.2 正交誤差校正技術 162
9.5.3 驅動相位校正技術 164
9.5.4 隨時間和溫度漂移 164
9.6 驅動電路 164
9.6.1 以振蕩器為基礎的電路 164
9.6.2 以鎖相電路為基礎的驅動電路 165
9.6.3 振幅調整電路 166
9.7 可靠性 167
9.7.1 連續(xù)自檢測 167
9.7.2 故障監(jiān)測 168
9.7.3 溫度補償 168
9.8 完整的系統(tǒng) 168
9.9 新穎應用 169
9.9.1 光學穩(wěn)像 169
9.9.2 游戲 170
9.9.3 三維運動捕獲 171
9.9.4 電子穩(wěn)定性控制 172
9.9.5 導航 172
致謝 173
參考文獻 173
第Ⅱ部分 以MEMS為基礎的新穎應用
第10章 移動通信系統(tǒng)中的體聲波諧振器 176
10.1 BAW諧振器概念 176
10.1.1 BAW諧振器的結構形式 177
10.1.2 壓電性和阻抗曲線 178
10.2 BAW模型 179
10.2.1 以物理學為基礎的一維梅森模型 179
10.2.2 改進型巴特沃斯·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 品質因數(shù) Q 183
10.3.3 k2eff和 Q 184
10.4 損耗機理和 Q 185
10.4.1 聲波透過多反射層的泄漏 185
10.4.1.1 品質因數(shù)和透射率 186
10.5 BAW諧振器測量技術 187
10.5.1 測量設備 187
10.5.2 高 Q值SMR 188
10.6 總結 191
致謝 191
參考文獻 191

第11章 空氣環(huán)境中的寬帶超聲波發(fā)射機和傳感器陣列 194
11.1 概述 194
11.2 超聲波換能器技術 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 壓電帶寬調整技術 197
11.3.2 電容式MEMS CMUT的傳感器陣列 200
11.4 評價 201
11.4.1 評價方法 201
11.4.2 評價結果 202
11.5 應用 206
11.5.1 本地定位系統(tǒng) 206
11.5.2 信號處理算法 206
11.5.3 實驗結果 208
11.6 總結 210
致謝 210
參考文獻 210

第12章 以MEMS為基礎的層狀光柵傅里葉變換光譜儀 213
12.1 概述 213
12.1.1 MEMS驅動的FTIR光譜儀的研究 213
12.1.2 以層狀光柵干涉儀為基礎的FTIR光譜儀的工作原理 214
12.2 MEMS驅動的層狀光柵FTIR光譜儀 215
12.2.1 光譜儀設計 216
12.2.2 制造工藝 217
12.2.3 實驗結果 217
12.3 諧振掃描MEMS層狀光柵傅里葉變換光譜儀 220
12.3.1 諧振掃描技術的優(yōu)點 220
12.3.2 設備操作和測量裝置 220
12.3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 221
12.3.4 測試與特性 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)傅里葉光譜儀簡介 227
12.4.2 MEMS靜態(tài)層狀光柵傅里葉變換光譜儀的設計 227
12.4.3 制造和裝配工藝 228
12.4.4 光譜儀的標定和測試 229
12.5 總結 230
參考文獻 231

第13章 射頻應用中的MEMS諧振器 233
13.1 概述 233
13.2 MEMS諧振器基礎知識 233
13.2.1 工作原理 233
13.2.2 品質因數(shù)定義 234
13.2.3 電容式換能器和感測技術 235
13.2.4 MEMS諧振器模型 236
13.2.5 MEMS諧振器的非線性效應 238
13.2.5.1 頻率調整 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 Q值的影響 240
13.3 MEMS諧振器的應用 241
13.3.1 以MEMS諧振器為基礎的濾波器 241
13.3.2 以MEMS諧振器為基礎的振蕩器 241
13.3.3 其他應用 242
13.4 MEMS諧振器發(fā)展史 242
13.5 以MEMS為基礎的無線電收發(fā)機 247
13.6 含有MEMS諧振器的機械電路 249
13.6.1 以MEMS諧振器為基礎的濾波器 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兼容的可調諧固支梁結構諧振器 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諧振器為基礎的頻移鍵控發(fā)射機 263
參考文獻 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 實現(xiàn)剛體運動的捕獲:生物信標跟蹤記錄應用 269
14.1 概述 269
14.2 動機和問題 270
14.3 材料和方法 271
14.3.1 剛體姿態(tài)和坐標系 271
14.3.2 姿態(tài)表達式的數(shù)學模型 271
14.3.3 三軸慣性/磁性傳感器包的測量模型 272
14.3.3.1 三軸加速度計 272
14.3.3.2 三軸磁力計 272
14.3.3.3 三軸陀螺儀 272
14.4 姿態(tài)估算的設計方法:互補濾波器 272
14.4.1 剛體運動方程 273
14.4.2 設計態(tài)模式 273
14.4.3 姿態(tài)互補濾波器 273
14.5 試驗驗證 275
14.5.1 姿態(tài)估算試驗設備:慣性測量裝置MTi- G 275
14.5.2 對動物自由運動的估算試驗和分析 275
14.6 對步行運動的三維位置估算 277
14.6.1 采用推算技術的三維位置估算法 277
14.6.2 人體步行運動的實驗結果 279
14.7 總結 282
致謝 282
參考文獻 282

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

第16章 先進MEMS觸覺傳感和致動技術 303
16.1 概述 303
16.1.1 MEMS觸覺傳感器的致動器材料 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 應變片和壓阻傳感器 309
16.2.3 壓電傳感器 311
16.2.4 導電聚合物傳感器 312
16.2.5 光學傳感器 315
16.2.6 磁感應傳感器 317
16.3 觸覺致動器 319
16.3.1 壓電致動器 320
16.3.2 電活性聚合物致動器 321
16.3.3 形狀記憶合金致動器 323
16.3.4 磁致動器 323
16.4 總結 325
參考文獻 328

第17章 以MEMS為基礎的微加熱板裝置 331
17.1 目前技術水平 331
17.2 微加熱板設計過程 332
17.2.1 微加熱板中的熱能量傳輸 333
17.2.1.1 熱傳導 333
17.2.1.2 熱對流 333
17.2.1.3 熱輻射 334
17.2.2 加熱板設計 335
17.2.3 加熱器和溫度傳感器設計 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計 337
17.2.4 微加熱板的有限元分析法 337
17.3 制造技術 339
17.4 微加熱板特性 341
17.4.1 靜電學研究 341
17.4.2 瞬態(tài)研究 342
17.4.3 進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 346

第18章 采用慣性傳感器的無線傳感器網絡 348
18.1 慣性測量裝置 348
18.1.1 慣性導航 348
18.1.2 MEMS IMU的誤差特性 349
18.2 無線傳感器網絡 351
18.2.1 物理層和介質訪問控制層 351
18.2.2 網絡 352
18.2.3 無線傳感器網絡的網關 353
18.3 無線傳感器網絡慣性傳感器 353
18.3.1 硬件設計 354
18.3.2 天線 355
18.3.3 軟件設計 357
18.4 應用 358
18.5 總結 360
參考文獻 360

第19章 有線和無線應用中的被動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 368
19.3.1 有線技術 368
19.3.1.1 延遲線法 369
19.3.1.2 振蕩器法 370
19.3.2 無線技術 372
19.3.2.1 以諧振器為基礎的系統(tǒng) 372
19.3.2.2 表面聲波標簽器件和解調原理 373
19.3.2.3 超寬帶技術 375
19.4 聲波射頻傳感器系統(tǒng)的有效實施 377
19.4.1 溫度測量 377
19.4.2 溫度和壓力傳感器 377
19.4.3 化學傳感器實例:氫氣檢測 379
19.5 總結 380
致謝 381
參考文獻 381