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第一章 概述1

1.微机械加工器件简介1

2.什么是换能器1

3.传感器与执行器系统的组成2

4.什么是微传感器和微执行器3

5.微机械加工在什么情况下才有意义3

5.1尺度与性能4

5.2降低成本问题4

5.3微器件和微系统的复杂度5

6.要考虑的问题6

7.微传感器与微执行器的市场7

7.1作为“使能技术”的微机械加工7

7.2 市场会爆发性地增长吗8

8.信息来源8

8.1在线资源8

8.2微传感器与微执行器的会议9

8.3参考书与论文收集10

8.4杂志10

8.5学位论文10

8.6专利10

9.结论10

参考文献11

第二章 微机械加工技术13

1.微机械加工技术的能力与局限性13

2.微机械加工材料15

2.1衬底15

2.2掺杂膜和掺杂材料15

3.微机械术语16

4.普通半导体的一般特性17

4.1硅的机械特性18

4.2硅与其他半导体材料的天然氧化物18

4.3典型的硅片19

5.体（去除）加工20

5.1硅湿法腐蚀21

5.1.1各向同性湿法腐蚀21

HF/HNO3／乙酸（HNA）22

5.1.2各向异性湿法腐蚀23

碱性氢氧化物腐蚀剂26

氢氧化铵28

四甲基氢氧化铵（TMAH）29

乙二胺邻苯二酚（EDP）31

联氨32

氨基棓酸32

湿法腐蚀中的超声波搅拌33

掺杂选择腐蚀剂的腐蚀停止层33

5.2砷化镓及其相关Ⅲ-V族化合物的湿法腐蚀35

5.3湿法腐蚀的电化学调节36

5.3.1 p-n结腐蚀停止方法37

结腐蚀停止用于TMAH和标准CMOS38

5.3.2光子注入电化学腐蚀38

5.4多孔硅的形成39

5.5其他湿法体腐蚀的技术及材料40

5.5.1多孔铝的各向异性湿法腐蚀41

5.5.2石英的各向异性湿法腐蚀41

5.5.3辅助离子注入湿法腐蚀43

5.5.4离子轨迹辅助损伤湿法腐蚀43

5.5.5单侧晶片腐蚀43

5.5.6通用湿法腐蚀概念45

5.6气相干法腐蚀45

5.6.1二氟化氙腐蚀45

5.6.2卤间化合物腐蚀的化学性质47

5.6.3其他气相腐蚀方法47

5.7等离子体／反应离子腐蚀47

5.7.1等离子腐蚀中依赖于掺杂物的各向同性49

5.7.2高深宽比干法腐蚀方法50

深度反应离子腐蚀（DRIE）50

低温干法腐蚀50

磁控干法腐蚀51

热辅助离子束腐蚀法51

5.7.3可调整各向异性腐蚀工艺51

非硅半导体的干法腐蚀53

5.8激光驱动体腐蚀工艺53

5.8.1激光穿孔53

5.8.2激光退火技术54

5.8.3激光驱动腐蚀法54

6.“表面”（添加）工艺56

6.1薄膜工艺56

6.1.1微机械加工中的非金属薄膜56

二氧化硅57

氮化硅59

碳化硅60

多晶态金刚石61

多晶硅61

其他的半导体和薄膜转换器62

有机物62

溅射无机薄膜62

旋压非金属薄膜63

6.1.2非金属薄膜的湿法腐蚀63

6.1.3非金属薄膜的干法腐蚀64

6.1.4金属薄膜的微机械加工65

电热蒸镀65

电子束蒸镀65

溅射沉积66

蒸镀与溅射的比较67

台阶覆盖能力67

阴影效应67

薄膜的成分68

金属的化学气相沉积68

选择性金属CVD69

金属黏附层69

6.1.5金属薄膜的湿法腐蚀69

6.1.6金属薄膜的干法腐蚀70

6.1.7搬移图形化工艺70

6.2激光驱动沉积72

6.3电沉积（电镀）73

6.3.1电沉积原理75

6.3.2直流电镀76

6.3.3脉冲式电镀76

6.3.4 电镀中的搅拌77

6.3.5 “黑”金属层77

6.3.6 “无电极”沉积78

6.3.7镀膜模板79

自短路电镀图形80

“撕去”电镀结构82

光刻镀模82

同步加速器的曝光模板：LIGA艺83

RIE或等离子腐蚀模板84

6.3.8无模板局部电镀84

6.4选择性外延生长85

7.键合操作86

7.1阳极键合86

7.1.1用沉积玻璃的阳极键合87

7.2硅熔融键合88

7.3其他键合技术88

7.4键合复合工艺88

8.牺牲层工艺91

8.1在湿分离时的黏附问题91

8.1.1在湿法腐蚀分离时的防粘接问题92

相变分离方法92

特定几何形状／特定工艺分离方法94

表面处理分离方法94

8.2牺牲层工艺的例子94

8.2.1牺牲光刻电铸成型工艺（SLIGA）95

8.2.2 SIMOX牺牲层95

8.2.3气态牺牲层腐蚀96

8.2.4等离子体腐蚀有机牺牲层96

8.3模板复制96

8.3.1用微机械模板浇注成型96

8.3.2电镀模板复制97

8.3.3基于CVD（化学气相沉积）的模板复制98

8.3.4陶瓷浆模板工艺99

8.3.5衬底模板上面的预成型99

9.密封空腔的形成100

密封空腔的消气剂101

10.表面修饰101

11.印刷与立体光刻102

11.1丝网印刷技术103

11.2转印技术103

11.3用于印刷的粉末填充聚合物103

11.4三维光刻104

11.5转印立体生成技术104

12.其他微机械技术105

12.1尖顶的形成105

12.1.1自封闭掩模技术105

12.1.2等离子体微掩模106

12.1.3湿腐蚀106

12.2化学－机械抛光和平面化106

12.3放电加工108

12.4研磨粉加工108

12.5精密机械加工108

12.6扫描探针加工109

12.7热迁移109

12.8光敏玻璃微机械加工109

12.9聚焦离子束微机械加工110

参考文献110

第三章 力学传感器与执行器132

1.引言132

2.基本力学132

2.1轴向应力和应变132

2.2剪应力和剪应变133

2.3泊松比134

2.4常用微结构挠度方程135

2.4.1静态梁挠度方程136

2.4.2静态转矩方程137

2.4.3静态平板方程137

2.5动态特性137

2.6热噪声140

3.材料的力学特性141

3.1材料失效141

3.2通用材料问题141

3.3薄膜的机械特性142

3.3.1应力测量142

均布应力142

非均布应力（应力梯度）143

3.3.2其他力学性能的测量145

直接测量145

间接测量146

4.基本的机械装置和结构146

4.1平面旋转机械装置147

4.2平面外微机械装置149

4.3结构部件150

4.4双稳态机械器件151

4.5 自组装152

5.力学传感器152

5.1力传感器件153

5.1.1压阻和压电式应变传感器153

金属应变片155

半导体应变计155

5.1.2压结效应156

5.1.3压电效应156

5.1.4电容式传感器158

5.1.5隧道式探测器160

5.2微机械力学传感器161

5.2.1微机械应变计161

植入式应变计161

微型应变穿透探针161

单心室应变计162

谐振应变计162

5.2.2加速度计163

加速度计基本概念164

力平衡加速度计的概念165

应变式加速度计165

电容加速度计168

力平衡电容加速度计169

压电加速度计171

隧道型加速度计172

带锁存的加速度计173

加速度计开关阵列173

多轴加速度计174

5.2.3微机械陀螺175

5.2.4压力传感器179

压力测试单元179

压阻式压力传感器181

集成的压阻式压力传感器183

表面微机械压阻式压力传感器184

电容性压力传感器185

压力开关188

共振压力传感器188

5.2.5传声器189

压阻传声器190

电容传声器190

压电传声器192

可动栅极FET传声器193

5.2.6触觉传感器194

压电式触觉传感器194

压阻式触觉传感器194

电容式触觉传感器196

光学触觉传感器196

其他触觉传感器197

5.2.7生物学力传感器197

生物学加速度计197

生物触觉式传感器197

生物声学式传感器198

6.力学执行器200

6.1执行器机理200

6.1.1静电激励201

静电悬臂执行器202

扭转静电执行器204

静电梳状驱动204

静电执行器的反馈稳定205

静电旋转微型马达206

静电平动微型马达207

静电微夹具209

静电继电器及开关210

6.1.2热执行器210

固体热膨胀210

双晶片热执行器210

热阵列执行器211

电解质热损失和热双晶片213

体积膨胀和相变执行器214

6.1.3形状记忆合金执行器216

6.1.4气动／水力激励216

6.1.5压电激励218

6.1.6磁执行器219

6.1.7化学执行器219

6.1.8混合执行器结构219

6.1.9生物执行器219

细胞骨架和微导管220

纤毛和鞭毛221

肌肉222

7.机械电路元件224

7.1机械谐振器224

7.1.1悬臂梁谐振器224

7.1.2侧面谐振器229

7.1.3膜谐振器231

7.2机械继电器和RF开关232

7.2.1通用继电器232

静电驱动继电器232

磁驱动继电器235

7.2.2射频开关和开关电路237

参考文献240

第四章 光学传感器与执行器262

1.概述262

1.1光谱262

1.2光学传感器与执行器相关计量单位263

1.3黑体辐射264

2.光学传感器265

2.1光学传感器的类型265

2.1.1光学探测基本原理265

2.1.2直接光电传感器266

2.1.3间接光学传感器266

2.1.4光电探测器的主要参数266

2.2直接光电传感器268

2.2.1半导体中的光吸收269

2.2.2光学传感器的带结构270

2.2.3量子效率271

2.2.4光电发射传感器272

2.2.5光导传感器276

光电导传感器的增益276

光电导传感器小信号模型278

本征光电导器件279

非本征光电导器件281

硫化镉和硒化镉282

集成CdSe光电导传感器阵列284

硫化铅和硒化铅285

碲镉汞285

普通半导体286

金属－半导体－金属光电传感器286

2.2.6结型光电检测器287

光电二极管的设计问题289

光电工作模式290

光导工作模式290

光电二极管小信号模型292

光电二极管与标准有源电路的集成工艺292

紫外线可用光电二极管293

P-I-N光电二极管294

金属半导体（肖特基）光电二极管294

雪崩光电二极管294

光电晶体管296

光电达林顿晶体管296

太阳能电池297

不规则的光电效应298

2.2.7电容式光电传感器298

电荷耦合成像传感器299

MOS电容式紫外线传感器300

2.3间接光学传感器301

2.3.1热电式探测器302

电喷镀PVDF热电传感器304

2.3.2辐射热测量器305

非制冷辐射热测量器306

超导辐射热测量器307

2.3.3热电偶309

2.3.4红外线指示器313

基于隧道的微机械红外传感器314

微机械电容红外传感器316

2.3.5磷和其他“间接”光传感器317

2.3.6间接光微传感器的比较317

2.4生物光学传感器318

2.4.1人类视觉转导结构321

2.4.2基本视觉转导机理323

3.光执行器323

3.1光发射323

3.1.1发光二极管323

3.1.2硅发光二极管326

3.1.3有机发光二极管326

3.1.4气体和固体激光器327

微机械固态激光器329

3.1.5微机械白炽灯330

3.1.6等离子气体光源332

3.1.7场致发光源332

3.1.8场致发射显示332

3.1.9生物发光（荧光）333

3.2光调制器334

3.2.1液晶显示334

向列相液晶334

动态散射液晶336

移植硅有源LC显示337

胆甾醇型液晶337

3.2.2反射微机械光调制器337

静电反射光调制器339

威斯丁豪斯镜矩阵管339

硅悬臂梁光调制器340

扭转型硅静电光调制器342

扭转铝静电光调制器343

多晶硅扭转光调制器346

可变形光栅光调制器346

静电型薄膜光调制器347

磁偏转光调制器349

电磁／静电型光调制器350

3.2.3透射型微力学光调制器352

3.2.4其他光调制器352

4.微机械光学结构354

4.1微机械光纤耦合器354

4.2微机械反射器件355

4.2.1固定微镜355

4.2.2可定位微镜356

4.3微机械传导元件356

4.3.1光波导356

4.3.2镜头357

折射型镜头357

衍射光栅和透镜组361

4.4滤光镜和光谱分析仪363

4.4.1干涉滤光镜363

4.4.2法布里－珀罗滤波器363

4.4.3机械式可调IR滤波器363

4.4.4分光仪365

法布里－珀罗分光仪365

散射型分光仪367

4.5集成光学系统371

4.5.1集成自由空间光学系统372

参考文献374

第五章 电离辐射传感器388

1.引言388

1.1辐射测量单位388

1.2辐射的类型389

1.2.1 α放射390

1.2.2 β放射390

1.2.3 γ放射和X放射390

1.2.4中子射线390

2.电离探测器391

3.闪烁探测器392

4.直接固态辐射探测器393

4.1集成探测器阵列395

5.其他探测器类型396

5.1转换型传感器396

5.2切伦科夫效应探测器396

5.3热探测器397

5.4 MOS门电压探测器397

5.5热发光式探测器398

5.6平行光管398

6.辐射对电子仪器的影响399

7.辐射对生物的影响399

参考文献400

第六章 热传感器与执行器402

1.概述402

2.温度的测量403

2.1基本术语403

2.2热传递方式403

2.2.1传导403

2.2.2对流405

2.2.3辐射405

2.3非接触温度测量法405

2.4热－机械传感器405

2.5热阻传感器409

2.5.1热阻效应409

2.5.2简单的薄膜热阻变换器409

2.5.3热变电阻器411

2.5.4半导体热阻变换器和热变电阻器411

2.5.5热阻传感器自加热现象412

2.5.6接口电路413

2.6热电偶413

塞贝克效应413

2.7基于结的热传感器416

2.7.1二极管温度传感器416

2.7.2晶体管温度传感器419

基本的PTAT电路419

开关PTAT电路420

温度不敏感电路421

2.8其他热学传感器422

2.8.1声学温度传感器422

2.8.2石英与其他谐振温度传感器422

2.8.3隧道型温度传感器422

2.9生物热传感器423

3.热学执行器423

3.1焦耳－汤普森致冷器423

3.2其他的液体致冷剂425

3.3珀尔帖效应热泵425

4.热传感器／执行器组合427

4.1热稳定电路427

4.2温度交流／有效值变换器428

5.热气体压力传感器434

6.热流传感器436

7.其他类型的温度传感器437

7.1微机械量热计437

7.2露点（热）湿度传感器437

7.3热学电磁混频器438

参考文献438

第七章 磁和电磁传感器与执行器445

1.引言445

1.1术语与定义445

2.磁现象447

2.1霍尔效应447

半导体霍尔效应448

2.2物理磁阻效应449

2.3几何磁阻效应450

2.4巨磁阻效应451

2.5磁光效应452

2.6磁各向异性453

2.6.1形状的各向异性453

2.6.2压力的各向异性453

2.6.3晶体的各向异性453

2.7磁畴453

3.磁传感器454

3.1霍尔效应传感器454

3.1.1平板式霍尔电压传感器454

3.1.2电压偏移的问题455

3.1.3霍尔板的双极型工艺455

3.1.4 MOS霍尔板456

3.1.5非硅霍尔板材料457

3.1.6磁二极管457

3.1.7磁晶体管458

3.1.8漏极分裂磁金属氧化物半导体场效应管459

3.1.9在集成电路中的霍尔器件459

3.2载流子磁畴磁力计460

3.3磁通门磁力计462

3.4隧道磁力计465

3.5隧道二极管磁传感器466

3.6真空电子磁传感器466

3.7超导量子干涉磁力计467

3.8其他磁传感器469

WIEGAND金属丝469

3.9生物学磁传感器469

4.磁执行器470

4.1磁场执行器470

4.2磁致伸缩执行器472

4.3磁器件制造技术472

4.4带有驱动线圈的磁执行器472

4.4.1电镀磁线圈472

4.4.2导线键合磁线圈474

4.4.3外部绕制的磁线圈474

4.5外加磁场的磁执行器475

4.6磁式微型马达477

4.7涡流探伤传感器478

4.8共振磁传感器479

4.9磁读／写头479

4.9.1存储装置的磁头479

感应式磁头479

磁阻式读磁头482

4.9.2磁墨打印头483

4.10磁泡存储器483

5.微机械电磁器件485

5.1无源元件和电路485

5.2微机械的其他RF应用488

参考文献488

第八章 化学和生物传感器与执行器498

1.引言498

2.化学传感器498

2.1无源化学传感器499

2.1.1电阻化学传感器499

2.1.2电容化学传感器500

2.1.3化学机械传感器501

2.1.4测热传感器502

2.1.5金属氧化物气体传感器503

2.2基于功函数的传感器507

2.2.1 ADFET气体传感器507

2.2.2铂基氢传感器508

2.2.3离子灵敏FET（ISFET和CHEMFET）509

2.3电化学传感器511

2.3.1离子电容512

2.3.2电荷转移：电阻机理513

2.3.3扩散电阻和沃伯格阻抗515

2.3.4基本电极电路模型515

2.3.5使用微电极的电化学感测515

电势感测516

电流感测517

其他电化学感测方法519

2.4声波传感器521

2.5生物传感器522

2.5.1共振生物传感器524

2.5.2光检测生物传感器524

2.5.3热检测生物传感器525

2.5.4 ISFET生物传感器（CHEMFETs）525

2.5.5其他基于pH的生物传感器527

2.5.6电化学检测生物传感器528

2.5.7 CMOS可兼容生物传感器加工工艺528

2.5.8其他生物传感器技术529

2.6生物分子增益机理529

2.7利用传感器阵列提高选择性531

2.8组合阵列532

2.9生物化学传感器533

2.9.1生物味觉传感器533

2.9.2生物味觉传感器535

3.化学执行器536

3.1电化学机械执行器536

3.2聚合体机械执行器537

3.3薄膜电池539

4.生物电子接口器件542

4.1神经系统穿透探针543

4.2再生神经电极545

4.3培养细胞系统547

4.3.1培养系统的表面改良547

5.混合生物传感器548

参考文献550

第九章 微流体器件567

1.概述567

1.1基本的流体特性和方程568

1.2流动的类型572

1.3微结构中的气泡和粒子573

1.4毛细作用力574

1.5流阻575

1.6流体的容量576

1.7流体感应系数576

2.流体管道577

2.1微机械管道577

2.2表面微机械管道581

2.3其他的管道类型和系统途径583

3.流体管道的应用584

3.1混合器584

3.1.1层流混合器586

3.1.2羽毛状混合器586

3.1.3主动式混合器587

3.2基于扩散的萃取器588

3.3流体放大器和逻辑器589

4.流体传感器593

4.1流动传感器593

4.2黏度／密度传感器595

4.3其他流体传感器596

5.阀596

5.1无源阀596

5.2有源阀598

5.2.1气动阀致动599

5.2.2热气动阀致动599

5.2.3相变阀致动601

5.2.4固体热膨胀阀致动602

5.2.5压电阀执行机构603

5.2.6静电阀致动605

5.2.7电磁执行阀605

5.2.8双稳阀结构606

6.泵607

6.1气泡泵607

6.2膜片泵607

6.3扩散泵609

6.4旋转泵610

6.5电水力泵612

6.5.1 注入型EHD泵612

6.5.2非注入型EHD泵613

6.6电析／电泳泵614

6.7超声泵616

6.8真空泵617

7.液滴发生器618

8.其他器件621

8.1用微器件的宏观流动控制621

8.2微粒过滤器和捕获器622

9.微流量系统的问题623

9.1连接器623

9.2封装／系统集成625

9.3可回收或一次性器件的设计627

10.集成化学分析系统627

10.1化学分析的衡量问题627

10.2气体色谱系统628

10.3液体色谱系统628

10.4电泳系统629

10.5细胞融合器件632

10.6 DNA放大（PCR）系统632

10.7多功能流量系统633

11.生物流体系统634

11.1 生物流管634

11.2生物阀635

11.2.1被动生物阀635

11.2.2主动生物阀636

11.3 生物泵636

参考文献636

索引652

后记673