微系统设计与制造（清华大学信息科学技术学院教材——微电子光电子系列）_王喆垚_9787302151968

微系统（MEMS）是一门多学科高度交叉的前沿学科领域，其设计、制造和应用广泛涉及到物理学、化学、力学、微电子学、电子学、光学、生物医学和控制工程等多个学科。本书介绍微系统的基础理论、分析设计方法和制造技术，以及前沿应用领域的多种典型器件。主要内容包括：微系统基本力学、微系统制造技术、微型传感器、微型执行器、射频微系统（RF MEMS）、光学微系统（MOEMS）、生物医学微系统（BioMEMS）以及微流体与芯片实验室。本书强调设计与制造相结合、基础与前沿相结合，在基础理论和制造技术的基础上，深入介绍典型器件的设计和制造方法以及重点和前沿应用研究领域，力争展示微系统的全貌。
本书可供高等院校电子、微电子、微机电系统、测控技术与仪器、精密仪器、机械工程、控制工程等专业的高年级本科生、研究生和教师使用，也可供相关领域的工程技术人员参考。

Preface微型化是当今科学技术的重要发展方向。实现微型化和利用微型化的重要途径之一是利用微系统技术。微系统（也称微电子机械系统，MEMS）起源于集成电路制造技术，通过在芯片上集成制造微机械、微结构、微传感器、微执行器、信号控制处理电路等功能器件和单元，实现测量、驱动、能量转换等多种功能。微系统的出现使芯片远远超越了以处理电信号为目的的集成电路，将其功能拓展到机、光、热、电、化学和生物等领域。广义地讲，集成电路是电子线路系统的微型化，而其他领域的微型化都可以划分在微系统的范畴。
微系统具有微型化、集成化、智能化等特点，与宏观系统相比，能够大批量生产，成本低、性能高，甚至能够实现宏观系统所无法实现的功能，符合并促进了科学技术的发展方向，因此已经广泛应用于仪器测量、无线和光通信、能源环境、生物医学、军事国防、航空航天、汽车电子以及消费电子等多个领域，已经并将继续对人类的科学技术和工业生产产生深远的影响。
微系统是一门多学科高度交叉的前沿学科领域，其设计、制造和应用广泛涉及到物理学、化学、力学、电子学、光学、生物医学和控制工程等多个学科。由于微系统涉及内容广泛，大量借用了相关学科的基础理论，因此微系统本身的理论体系不够系统。尽管微系统已经发展出自己相对独立的设计和制造方法，但是从严格意义上讲，微系统领域纷繁繁杂以至于它本身不是一个真正独立的学科，而是一个开放式的系统。这些特点为学习、研究和应用微系统带来了困难。尽管如此，微系统仍旧具有一些重要的共性基础知识，通过掌握这些基础知识，可以逐渐深入地掌握微系统的内容。
本书的目的是尝试提供一本具有一定深度和广度的微系统专业教材，探索高度交叉学科领域的人才培养方式。针对微系统领域的特点，本书着重提取基础的、重点的和共性的问题，强调基础理论和制造方法在不同领域的应用。通过基础知识和重要、前沿发展方向的多种典型器件的介绍，掌握微系统的相关基础理论、分析设计方法和制造技术，并了解微系统在多个领域的应用。本书共分为9章，主要内容概括如下。
第1章微系统概述。介绍微系统的概念、历史、特点，微系统与集成电路的关系，微系统的设计和制造方法概论等内容。
第2章微系统力学基础。主要介绍微系统设计中常用的弹性力学、动力学、流体力学等基本知识，以及多种常用结构的力学分析方法。
第3章微系统制造技术。介绍用于微系统制造的集成电路工艺基础、表面微加工技术、体微加工技术，以及特殊微加工技术，并介绍制造过程中的基本物理、化学、力学等问题。
第4章微型传感器。介绍物理传感器的主要敏感原理、分析设计和制造方法，以及如何利用力学、电学等基础理论与敏感机理相结合来分析、设计微型物理传感器。
第5章微型执行器。主要介绍静电、电磁、压电、电热等执行器的基本原理、结构和制造方法，重点介绍微型执行器的分析、设计方法。
第6章射频微系统（RF MEMS）。介绍微系统在无线通信领域的应用，包括开关、谐振器、可调电容、三维电感等器件和滤波器、压控振荡器等电路，以及设计和IC集成制造方法，重点是将电学、力学和动力学应用于RF MEMS器件的分析设计。
第7章光学微系统（MOEMS）。介绍微系统在光通信和显示器件领域的应用，包括微镜和二维、三维光开关等，重点阐述微镜的分析、设计与制造，以及力学、电学和光学在MOEMS中的应用。
第8章生物医学微系统（BioMEMS）。介绍微系统在药物释放、组织工程、临床诊断和治疗、神经探针等生物医学领域的应用，结合流体力学和静力学分析设计药物释放微针等。
第9章微流体与芯片实验室。介绍微流体器件的软光刻制造工艺，阐述生化分析中驱动、混合、分离、检测等功能的芯片实现方法，介绍芯片实验室在DNA、细胞和蛋白分析中的应用。
本书强调两个方面的结合。一是设计与制造相结合。微系统的设计强烈依赖于制造工艺，在对制造工艺深入了解和实践以前，任何一个简单的器件都难以设计、优化并通过制造实现。因此本书在以基础理论为重点的同时，深入介绍微系统制造工艺和典型器件的制造方法。二是前沿与基础相结合。共性的基础理论和制造技术是微系统的基础，将设计和制造等基础应用于实际问题是最终目的，因此全书贯穿多个典型实例的分析、设计和制造方法。微系统仍处于高速发展阶段，本书较为全面地介绍微系统的重点和前沿领域，力争展示微系统的全貌。
本书可供高等院校电子、微电子、微机电系统、测控技术与仪器、精密仪器、机械工程、控制工程等专业的高年级本科生、研究生和教师使用，也可供相关领域的工程技术人员参考。本书曾在清华大学微纳电子学系和电子工程系作为本科生高年级课程“微系统设计与制造”的讲义，在出版时作了适当的删节和修改。由于本书内容较多，建议教师选择部分内容讲授，剩余内容可以作为学生的课外阅读材料。
本书的出版得到了很多人的帮助，清华大学微电子所李志坚院士、刘理天教授、伍晓明博士、方华军博士，清华大学精密仪器系董永贵教授等为本书提出了很多建设性的意见。作者还要感谢试用本书的学生和我的研究生，特别是庄志伟和周有铮，他们为本书的插图做了大量的工作，并提出了很多修改意见。作者还要感谢清华大学出版社的田志明和王一玲为本书出版所做出的努力。
由于作者的水平、知识背景和研究方向的限制，书中错误和遗漏之处，恳请各位读者、专家和MEMS领域的研究人员不吝指正。

王喆垚
2007年8月于清华大学
电子邮件： z.wang@tsinghua.edu.cn

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