微机电系统（MEMS） 元器件 电路及系统集成技术和应用

图书标准信息

• 作者 [美]维卡斯·乔杜里（Vikas Choudhary）
• 出版社 机械工业出版社
• 出版时间 2020-05
• 版次 1
• ISBN 9787111649588
• 定价 139.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸

【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