MEMS原理及傳感器應用

第1章 緒論 1
1.1 MEMS的術語 2
1.2 機電系統簡介 2
1.3 微傳感器簡介 5
1.3.1 聲學波傳感器 6
1.3.2 生物醫學傳感器與生物傳感器 6
1.3.3 化學傳感器 8
1.3.4 光學傳感器 10
1.3.5 壓力傳感器 11
1.3.6 熱傳感器 14
第2章 MEMS基本原理 17
2.1 引言 17
2.2 力的尺度效應 17
2.2.1 力的尺度效應模型 18
2.2.2 重力 18
2.2.3 彈性力 19
2.2.4 靜電力 19
2.2.5 表面張力 21
2.2.6 壓電力 22
2.2.7 磁力 23
2.2.8 介電泳力 24
2.2.9 小結 25
2.3 彈性力 26
2.3.1 應力 26
2.3.2 應變 28
2.3.3 應力應變關系 30
2.3.4 各向異性材料中的應變-應力關系 31
2.3.5 密勒指數 32
2.3.6 晶面角 33
2.3.7 單晶矽的柔度矩陣和剛度矩陣 34
2.3.8 正交變換 36
2.3.9 應力狀態的轉換 37
2.3.10 剛度矩陣的正交變換 39
2.3.11 典型MEMS材料的彈性特性 41
2.4 微結構的彎曲 41
2.4.1 靜力平衡 41
2.4.2 自由體圖 42
2.4.3 中性面和曲率 43
2.4.4 純彎曲 44
2.4.5 慣性矩和彎矩 46
2.4.6 梁方程 46
2.4.7 端部承載懸臂 47
2.4.8 等效剛度 48
2.4.9 集中荷載和分布荷載的梁方程 49
2.4.10 卡氏第二定理 50
2.4.11 彎曲 51
2.4.12 矩形膜 53
2.4.13 受壓矩形薄膜的簡化模型 54
2.4.14 邊緣固定的圓形薄膜 56
第3章 微制造概論 58
3.1 引言 58
3.2 體微制造技術 58
3.2.1 刻蝕工藝概述 59
3.2.2 各向同性刻蝕和各向異性刻蝕 59
3.2.3 濕法刻蝕劑 60
3.2.4 自停止刻蝕 62
3.2.5 幹法刻蝕 62
3.2.6 濕法刻蝕與幹法刻蝕的比較 65
3.3 表面微加工技術 66
3.3.1 概述 66
3.3.2 工藝流程 67
3.3.3 表面微加工技術中的力學問題 68
3.4 LIGA工藝 70
3.4.1 LIGA工藝的主要步驟 70
3.4.2 用作襯底和光刻膠的材料 71
3.4.3 電鍍 72
3.4.4 SLIGA工藝 73
3.5 微制造技術總結 73
第4章 微系統設計 74
4.1 引言 74
4.2 設計註意事項 75
4.2.1 設計限制因素 76
4.2.2 材料選擇 76
4.2.3 制造工藝的選擇 78
4.2.4 信號轉換方式的選擇 79
4.2.5 機電系統 80
4.2.6 封裝 81
4.3 工藝設計 81
4.3.1 光刻工藝 81
4.3.2 薄膜加工工藝 82
4.3.3 結構成型加工 83
4.4 機械設計 83
4.4.1 熱力學載荷 83
4.4.2 熱力學應力分析 84
4.4.3 動力學分析 84
4.4.4 界面斷裂分析 88
4.5 有限元法進行機械設計 88
4.5.1 有限元方程 88
4.5.2 微制造工藝模擬 92
4.6 微壓力傳感器芯片的設計 93
4.7 微流體網絡系統的設計 97
4.7.1 微通道中的流體阻力 98
4.7.2 毛細管電泳網絡系統 100
4.7.3 毛細管電泳網絡系統的數學建模 101
4.7.4 設計用例—毛細管電泳網絡系統 102
4.8 計算機輔助設計 105
4.8.1 為什麼使用計算機輔助設計 105
4.8.2 什麼是用於微系統的CAD軟件包 106
4.8.3 如何選擇CAD軟件包 107
4.8.4 使用CAD的設計用例 107
第5章 微系統封裝 111
5.1 引言 111
5.2 微系統封裝概述 112
5.3 微系統封裝 113
5.3.1 封裝設計的一般考慮因素 114
5.3.2 微系統封裝的三個層次 114
5.3.3 芯片級封裝 115
5.3.4 器件級封裝 116
5.3.5 系統級封裝 116
5.4 微系統封裝中的接口 116
5.5 基本封裝技術 117
5.5.1 芯片準備 118
5.5.2 表面鍵合 118
5.5.3 引線鍵合 122
5.5.4 密封 123
5.6 三維封裝 125
5.7 微系統組裝 126
5.8 封裝材料的選擇 127
5.9 信號轉換和傳輸 129
5.9.1 微系統中的典型電學特征 129
5.9.2 電阻的測量 130
5.9.3 壓力傳感器中的信號轉換和傳輸 130
5.9.4 電容測量 132
5.10 設計用例：微壓傳感器封裝 133
第6章 典型力電型MEMS器件 137
6.1 引言 137
6.2 電容式MEMS壓力傳感器 137
6.2.1 位移型電容式壓力傳感器 138
6.2.2 系統級模型 140
6.2.3 差分結構 142
6.3 MEMS加速度計 144
6.3.1 操作原則 145
6.3.2 系統傳遞函數和靈敏度 146
6.3.3 加速度計的基本結構 148
6.3.4 機械傳遞函數和機械熱噪聲 150
6.3.5 電極類型的選擇 152
6.3.6 力反饋結構 152
6.3.7 高階效應 155
6.4 MEMS陀螺儀 157
6.4.1 發展歷程中機械陀螺儀的定性描述 157
6.4.2 旋轉參考系 158
6.4.3 一種簡單的z軸速率振動陀螺儀 160
6.4.4 基於MEMS的陀螺儀的其他示例 165
6.4.5 背景知識 167
6.4.6 扭轉振動陀螺儀 170
6.4.7 高階效應 172
6.5 MEMS能量采集器 173
6.5.1 電容式能量采集的基本原理 174
6.5.2 功耗因素和效率 175
6.5.3 多諧振器 177
6.5.4 具有偏置電壓的電容式能量采集器 179
6.5.5 靜電能量采集器實例 180
6.6 總結 181
第7章 新型MEMS器件 182
7.1 引言 182
7.2 氣體MEMS傳感器 183
7.2.1 電化學氣體傳感器 183
7.2.2 光學氣體傳感器 186
7.2.3 聲學氣體傳感器 189
7.2.4 氣體傳感器的醫學應用 192
7.3 生物MEMS傳感器 194
7.3.1 Bio-MEMS的優勢 194
7.3.2 Bio-MEMS的發展歷程 195
7.3.3 Bio-MEMS的應用舉例 196
7.4 結論 198
參考文獻 200