书籍详情
微机电系统MEMS：元器件、电路及系统集成技术和应用
作者：维卡斯·乔杜里 著
出版社：机械工业出版社
出版时间：2020-06-01
ISBN：9787111649588
定价：¥139.00
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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。
作者简介
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
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
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 1
2.4 辐射测试技术 24
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
3.3 薄膜的压电性质 38
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
3.6 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
4.2 陀螺仪的电控系统 62
4.3 案例研究:模式匹配音叉陀螺仪 64
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
5.4 体声波陀螺仪的实施方案 86
5.5 体声波陀螺仪的测量技术 89
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
6.4 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
6.6 案例研究:MEMS的TSV技术 106
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
7.2 通用模型 115
7.3 悬臂梁模型 122
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
9.6 驱动电路 164
9.7 可靠性 167
9.8 完整的系统 168
9.9 新颖应用 169
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
10.6 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
11.4 评价 201
11.5 应用 20
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
12.2 MEMS驱动的层状光栅FTIR光谱仪 215
12.3 谐振扫描MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪 220
12.4 静态MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪 227
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
13.3 MEMS谐振器的应用 241
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
13.8 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
14.4 姿态估算的设计方法:互补滤波器 272
14.5 试验验证 275
14.6 对步行运动的三维位置估算 277
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
16.3 触觉致动器 319
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
17.3 制造技术 339
17.4 微加热板特性 341
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
19.3 查询技术 368
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
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
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 1
2.4 辐射测试技术 24
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
3.3 薄膜的压电性质 38
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
3.6 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
4.2 陀螺仪的电控系统 62
4.3 案例研究:模式匹配音叉陀螺仪 64
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
5.4 体声波陀螺仪的实施方案 86
5.5 体声波陀螺仪的测量技术 89
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
6.4 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
6.6 案例研究:MEMS的TSV技术 106
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
7.2 通用模型 115
7.3 悬臂梁模型 122
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
9.6 驱动电路 164
9.7 可靠性 167
9.8 完整的系统 168
9.9 新颖应用 169
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
10.6 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
11.4 评价 201
11.5 应用 20
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
12.2 MEMS驱动的层状光栅FTIR光谱仪 215
12.3 谐振扫描MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪 220
12.4 静态MEMS层状光栅傅里叶变换光谱仪 227
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
13.3 MEMS谐振器的应用 241
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
13.8 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
14.4 姿态估算的设计方法:互补滤波器 272
14.5 试验验证 275
14.6 对步行运动的三维位置估算 277
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
16.3 触觉致动器 319
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
17.3 制造技术 339
17.4 微加热板特性 341
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
19.3 查询技术 368
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
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