微机电系统（MEMS） 元器件 电路及系统集成技术和应用 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

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

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. 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 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

克日什托夫?印纽斯基（Krzysztof Iniewski）博士，曾就职于加拿大多伦多大学、阿尔伯塔大学、西蒙弗雷泽大学，以及美国博安思通信科技有限公司。他是CMOS新兴技术研究协会主席。他拥有在美国、加拿大、法国、德国和日本等国注册的18种国际专利，在国际期刊和会议上发表了100多篇研究论文，是一个经常受邀的演讲者，被国际上多个组织聘为顾问。

维卡斯?乔杜里（Vikas Choudhary）先生，毕业于美国加州大学，获得信号处理领域的硕士学位。在半导体工业，他有20多年的工作经验，拥有5项专利。他主要从事过芯片间千兆信号高速交联技术的线路和系统设计、接收器和发射器中先进时钟和数据恢复系统设计，担任过射频集成电路（RFIC）子系统（如802.16e和802.11n）总体设计师和首席设计师。

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编辑推荐

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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前言

原书前言

过去10年，MEMS行业经历了爆炸式增长，广泛应用于各种科学技术领域。任何一本书（包括本书）都难以对其做出全面介绍。然而，本书仍希望依据不同领域的权威资料尽量做到这一点。本书共有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MEMS器件;第10～19章为应用部分，详细阐述以MEMS为基础的各种新颖的应用。本书各章都具完整性，既可以单独阅读，也可与其他章节连贯阅读。下面对本书给出简要评述，以便读者快速找出感兴趣的内容。

第1章（由Daniel Hauden撰写）对MEMS技术及其发展给出了全面评述，是对本书其他章节相关内容的总览。Daniel Hauden博士是法国弗朗什-孔泰大学（Université de FrancheComté，又称贝桑松大学）的名誉教授，就职于FEMTO-ST研究所，始终从事该领域的研究工作。由其撰写的第1章会使读者极好地了解该领域现状。在对技术突破简要地做了评述之后，又对实验室已证明并成功商业化的大量实例进行了介绍，之后阐述了纳米技术和宏观方法之间的关系， 后讨论了纳米技术采用的自下向上的方法（bottom-up approach）。第1章通篇阐述亟待解决的各类科学技术问题，想为新的应用铺平道路。有经验的学者，可以将第1章视为一次重温过程;学生和研究人员，则可将第1章作为着手研究和解决问题的得力“向导”。

第2章（由Bing Miao等人撰写）讨论了用薄膜集成无源组件替代离散无源组件，以减少安装空间并提高电子性能和系统可靠性的技术需求。第2章重点介绍了MEMS应用中以HfO2为基础的高k电介质。第2章的独特之处在于阐述了电子学辐射造成的长期衰减现象（性能和可靠性两方面），这是比较少见的研究成果。

硅材料或许是人类史上 理想的材料，肯定适合MEMS器件。同时，诸如铁电材料之类的功能性材料也已逐渐集成在MEMS中，并形 的功能而使微结构简化。其中，压电性质对于微传感器和致动器应用来说颇具吸引力。压电性质有两个特点:利用外力产生电荷的压电效应和利用外部电场产生力的逆压电效应。这些性质意味着压电材料本身就是传感器和致动器，所以利用集成在MEMS（尤其是简单的微结构）中的压电材料可以实现独特功能。第3章（由日本京都大学Isaku Kanno教授撰写）讨论如何研发这类压电MEMS，为研究人员和从事具体工作的工程师寻求MEMS中的替代材料奠定了良好基础。

陀螺仪是用以测量旋转角度或速度的传感器。自1991年美国Draper实验室发明了个硅音叉陀螺仪以来，微机械陀螺仪是目前微传感器市场增长 快的领域。这些器件的应用从汽车消费快速扩展到个人导航系统。目前，绝大部分微机械陀螺仪利用振动元件感知转动，而没有旋转零件或轴承，因此，非常适合用平面工艺来批量生产，并逐渐与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路相集成。第4章（由Ajit Sharma等人撰写）详细阐述了这类陀螺仪的相关内容，以模态匹配音叉陀螺仪作为案例详细介绍其实施细节。第4章的前半部分讨论这类陀螺仪的非理想特性及通过电路解决其缺陷的具体措施，后半部分以案例形式详细阐述实施细节。第4章的内容为第5、8、9章有关陀螺仪的内容定下了基调。

在过去的20多年里，微机械陀螺仪的性能得到了很大提高。1991年以来，微机械陀螺仪的分辨率［用陀螺角随机游走（the random angle walk）表示］就提高了10倍（参考本书第4章）。然而，至今取得的大部分性能改善源自制造技术和封装工艺，一定程度上是源自信号处理电路方面的进步。新的方法是通过研究结构来进一步提高性能改进的数量级。第5章（由Houri Johari撰写）阐述体声波（Bulk Acoustic Wave，BAW）陀螺仪，或许这是未来很有希望的一种陀螺仪方案。研究人员设计了一种单晶硅盘式陀螺仪，让其在简并椭圆体声波模态下工作，频率为1～20MHz。与低频（小于100kHz）挠性陀螺仪相比，其提高了模态匹配条件下陀螺仪的工作带宽，在高Q值（品质因数）模态匹配条件下工作的陀螺仪大大提高了信噪比及陀螺仪性能。第5章对体声波陀螺仪进行了深入评述，为有意从事该项技术研究的人员提供了系统、有价值的内容。

第6章（由Hyung Suk Yang等人撰写）首先提出了非常好的问题:作者通过观察认为，尽管MEMS市场已有大幅增长，但该行业由少数几个大国主导，有什么因素会阻碍该增长趋势呢?怎样才能更大规模地应用MEMS器件呢?当成本为首要考虑因素时，可以直接应用法国市场调研公司Yole Développement总结的MEMS法则:“一种产品，一种工艺，一种封装”（资料源自MEMS Mayket Overview， 2010）。该MEMS法则是针对所观察到的下述趋势:制造MEMS器件的工艺和封装技术非常独特，使其无法标准化，需要对每种产品专门进行定制。在微电子行业，已经有众多成功的无工厂小型公司利用代工厂满足了制造和封装需要。相比之下，许多MEMS公司都需要大量的前期投资。这是讨论可能的解决方案的重要背景，对于第6章讨论的利用挠性I/O技术和硅通孔技术（throughsilicon via technologies）的新进展更是如此。作者相信，可以为先进的CMOS和MEMS器件创建一个通用的集成平台。第6章概述了CMOS的三维集成，并介绍了MEMS技术提供的良好的单片集成性能及能简化混合集成的工艺。充分利用CMOS和MEMS三维集成优越性的关键，是采用如挠性互连和硅通孔之类的先进互连技术。第6章将讨论采用该互连技术的原因和需求，并阐述设计和制造方面的挑战。

第7章（由Marcin Marzencki和Skandar Basrour撰写）介绍的内容是要解决现代电子产品时代一个很基本的问题，即器件充电。一个器件从不需要充电将会怎样?能够实现吗?作者认为，正如光能已经成功地用作能量源，那么人们周围环境充满的能够产生能量的压力变化、结构变形或机械振动也可以利用。利用这类能量的方法称为环境能量收集技术。第7章主要介绍了利用压电MEMS器件采集环境机械振动能量的方法。MEMS的任务是使这类能量采集装置微型化，与电子装置集成，从而为完全自主运转的微系统开辟一条途径。第7章针对这类可能系统讨论了相关模型，并从理论和测量两个方面进行十分详细的介绍， 后给出了丰富的参考文献，对从事该领域的研究人员来说是 佳的参考资料。

第8章（由Hongzhi Sun和Huikai Xie撰写）首先介绍了电容式MEMS陀螺仪接口电路的基本知识，从理论上详细分析了陀螺仪的工作原理及不足之处。与第4章相比，第8章重点介绍了电容式传感器及相关电路，包括连续和离散两种时间传感技术。第8章的内容是针对电容式接口陀螺仪的，同时也适合这类接口的MEMS陀螺仪。通过第8章的学习，读者能够扎实理解如何分析接口电路。

第9章（由Vikas Choudhary等人撰写）以电容式振动型MEMS陀螺仪作为典型例子，以独特的视角阐述了 终实现一个坚实、高性能微系统的方法———利用电路设计和信号处理的先进技术形成机电回路。传感器的不足之处可以通过电子签名感知、处理并 后将电子信号发送给传感器进行校正。实际上，可以进一步利用该方法，将信号传输给传感器以模拟能满足规范要求的某种行为（或特性），因此能够得知该系统的正常运作能力，从而构建一个更强大的系统平台。通过大量应用得出结论:这种强大的陀螺仪系统即将出现。通过学习第9章的内容，读者可以对设计一个高性能惯性系统有更深刻的理解。

至今，对体声波谐振器已经研究了几十年，其极大的发展潜力已得到了证实，其影响突出体现在商业化方面，特别是在无线电领域。主要由于其具有高Q值（选择性）陡峭过渡频带，在千赫兹无线电应用中接收或发射链前端，用体声波滤波器代替传统的射频（Radio Frequency，RF）滤波器已是大势所趋。第10章（由Sumy Jose撰写）首先回顾了体声波器件的基本物理学理论，然后详细介绍此类器件。第10章为读者提供了详尽的参考文献，以便读者进一步阅读和开展研究。

第11章（由J.R.Gonzalez等人撰写）介绍了一种特别的应用，即利用MEMS传感器组成超声波接收阵列。第11章重点阐述了作者将压电式转换器和MEMS传感器用于空气中的宽带超声波定位的研究结果;关注点放在了低成本、低功率和宽带方面;解释了传统技术为何不能满足这种要求;进而提出了超声波发射装置的改进措施，使压电转换器带宽有了很大提高;同时，给出了理论和实验结果; 后指出了局部定位系统（Local Positioning System，LPS）新的研究方向。对于工业研究人员和企业家，第11章的内容可以作为这类产品是否有价值的参考资料，有助于将这类以MEMS为基础的器件（或技术）应用于未来的商业终端产品。

第12章（由Hongbin Yu等人撰写）阐述了MEMS的另一种特别的应用。光学光谱仪是很重要的计量仪器。小型化和严酷环境下工作的需要，是研究开发基于MEMS的光学光谱仪的主要动力。第12章向读者介绍了几种以层状光栅为基础、现场用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）小型显微分光仪的设计。这些产品采用面向绝缘衬底上硅（Sillicon On Insulator，SOI）的微机械加工技术制造，已经证明其重量较轻、成本低和结构紧凑。第12章会使读者对以MEMS为基础、具有先进水平的分光仪及其商业化挑战有全面的了解。

第13章（由Frederic Nabki等人撰写）介绍了微机电谐振器，以及将其与普通电路集成在一块芯片上形成的高度紧凑的子系统，重点是射频方面的应用。第13章首先阐述了MEMS谐振器的入门知识，准确定义了相关的所有性能参数、模型和非线性;然后详细介绍了此类谐振器的几种应用，如滤波器和振荡器。第13章详细讨论了MEMS谐振器，并给出以谐振器为基础的完整系统的案例分析。第13章通篇是MEMS谐振器的相关内容，相信读者一定会欣赏其材料的完整性，可以作为该领域研究人员和学生的重要参考。

捕捉刚体运动技术有许多应用，第14章（由Hassen Fourati等人撰写）首先建议采用鲁棒替代法评估刚性物体（一种动物身体）的运动图像（振幅或方位）。为此，第14章作者研究团队根据三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪（惯性测量装置）原理设计出了一种可穿戴式惯性磁MEMS传感器组件，并给出了这种应用的详细结果，为此类MEMS应用的未来商业化提供重要参考。

药物控释应用方面的MEMS技术，已经引起人们的极大关注。专门设计的植入式MEMS器件是利用微型器件使药物在病灶部位局部受控释放，与普通的全身给药方法（对全身可能会有负面影响）相比，可以提供更有效的治疗。第15章（由Mohamed Sul