微机电系统（MEMS）——元器件、电路及系统集成技术和应用

定　　价：139 元

丛书名：微纳机电系统先进技术研究与应用丛书

• 作者：[美] 维卡斯·乔杜里（Vikas Choudhary）
• 出版时间：2020/5/1
• ISBN：9787111649588
• 出 版 社：机械工业出版社

• 中图法分类：TH-39 
• 页码：408
• 开本：16开

内容简介

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。

目 录

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 CMOS/MEMS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I/O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 Q 183
10.3.3 k2eff和 Q 184
10.4 损耗机理和 Q 185
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SMR 188
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- G 275
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