微机电系统(MEMS元器件电路及系统集成技术和应用)/微纳机电系统先进技术研究与应用丛

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。

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。

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