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第1章 初识微型机械1

1.1 一个引人入胜的话题1

1.1.1 从童话中的小人国谈起1

1.1.2 科幻小说中的微型机械2

1.1.3 微型科技的曙光2

1.2 小机械，大机会3

1.2.1 历史的回顾3

1.2.2 关于微型机械的起源4

1.2.3 微型科技为什么如此受欢迎8

1.2.4 小机械包含着大课题9

1.3 什么是微机电系统11

1.4 有关的国际刊物、会议和网站14

参考文献17

第2章 怎样制作微型机械(一)——传统的超精密加工方法18

2.1 概述18

2.1.1 微型机械加工的特点18

2.1.2 常用的微型机械加工方法的分类19

2.2 利用超精密加工工具加工微型器件20

2.2.1 微细磨削加工20

2.2.2 微细磨料加工21

2.2.4 金属丝放电磨削加工(WEDG)22

2.2.3 微细放电加工(MEDM)22

2.3 特种加工工艺25

2.3.1 激光束微细加工技术25

2.3.2 电子束微细加工技术27

2.3.3 聚焦离子束(FIB)微细加工技术28

参考文献30

第3章 怎样制作微型机械(二)——微型机械中常用的IC工艺31

3.1 概述31

3.2 IC工艺的主要步骤31

3.2.1 晶体生长和晶片制备(Crystal Growth and Wafering)32

3.2.2 薄膜成形(Film Formation)33

3.2.3 掺杂工艺(Doping Process)38

3.2.4 光刻(Lithograph)40

参考文献46

第4章 怎样制作微型机械(三)——硅微结构制作工艺47

4.1 硅的体微机械加工技术47

4.1.1 各向同性蚀刻(Isotropic Etch)49

4.1.2 各向同性停蚀技术(Isotropic Etch-Stop)52

4.1.3 各向异性蚀刻(Anisotropic Etch)52

4.1.4 各向异性停蚀技术(Anisotropic Etch-Stop)55

4.1.5 干式蚀刻(Dry Etch)58

4.1.6 硅的体微型机械加工举例59

4.2 键合技术(Bonding)60

4.2.1 硅热键合(Silicon Fusion Bonding)60

4.2.2 阳极键合(Anodic Bonding)60

4.2.3 利用键合技术制作微型机械61

4.3 表面微机械加工技术62

4.3.1 一层结构层／一层牺牲层的工艺63

4.3.2 两个牺牲层／两个结构层的工艺65

4.3.3 表面微加工应注意的问题66

4.3.4 表面微加工举例67

4.4 封装69

参考文献71

第5章 怎样制作微型机械(四)——一些有发展前景的工艺72

5.1 LIGA工艺72

5.1.1 概述72

5.1.2 同步辐射X射线光刻72

5.1.3 LIGA 工艺73

5.2 三维光成形工艺75

5.3 用隧道显微镜进行微细加工78

5.3.1 隧道效应与STM78

5.3.2 其他类型的隧道显微镜80

5.3.3 用隧道显微镜STM进行微细表面加工82

参考文献84

第6章 微型传感器85

6.1 概述85

6.1.1 定义85

6.1.2 传感器工作原理及应遵循的法则和定律86

6.2 传感器分类和性能指标87

6.2.1 传感器分类法87

6.2.2 传感器性能的指标87

6.3.1 微型压力传感器(Micro Pressure Sensors)89

6.3 几种典型的微型传感器89

6.3.2 微型加速度计(Micro Accelerometer)91

6.3.3 微型陀螺(Micro Gyroscope)96

6.3.4 微型触觉传感器(Micro Tactile Sensors)98

6.3.5 微型生物传感器(Micro Biological Sensors)100

6.3.6 微型图像传感器(Micro Image Sensors)109

6.3.7 微型谐振式传感器(Micro Resonant Sensors)110

6.3.8 其他微型传感器111

6.4 微型传感器的特点112

参考文献114

7.1 常用微型执行器的致动机理115

7.1.1 静电致动的机理115

第7章 微型执行器115

7.1.2 压电致动的机理116

7.1.3 热致动的机理118

7.1.4 电磁致动的机理119

7.1.5 形状记忆合金致动的机理120

7.2 几种典型的微型执行器122

7.2.1 微马达(Micro Motors)122

7.2.2 微型阀(Micro Valves)124

7.2.3 微型泵(Micropump)128

7.2.4 其他微致动机构133

7.3 微型执行器的特点和比较135

参考文献137

第8章 微结构与微系统138

8.1 微型构件138

8.1.1 微型铰链、微型轴承139

8.1.2 微型弹簧140

8.1.3 微型继电器、微型保险丝140

8.1.4 微探针140

8.1.5 微型人工细胞融合装置141

8.2.1 微型连杆机构142

8.2 微型机构142

8.2.2 微型齿轮机构143

8.2.3 微型平行四边形机构143

8.2.4 微型梳状机构144

8.3 微系统145

8.3.1 微型数字显示器145

8.3.2 微光纤开关系统147

8.3.3 生物芯片实验室148

8.3.4 纳卫星149

8.3.5 微型飞行器150

8.3.6 微型化学反应系统152

8.3.7 微细作业与装配系统155

8.3.8 微型机器人156

参考文献157

第9章 微型机械的设计和建模159

9.1 微型机械设计入门159

9.1.1 微型机械设计的目的159

9.1.2 设计时需要考虑的几个因素160

9.2 微型机械的建模160

9.2.1 建模的概念160

9.2.2 微型机械建模的级别161

9.2.3 微型机械分级别建模举例162

9.3 微结构分析时应考虑的因素165

9.3.1 大变形166

9.3.2 复合结构166

9.3.3 残余应力效应167

9.3.4 尺度效应167

9.3.5 耦合效应169

9.4 微型机械设计实例170

9.4.1 基本原理170

9.4.2 关于测量电路173

9.4.3 一个实例175

9.5.1 三维建模与仿真(3DM S)181

9.5 一些与建模相关的网站181

9.5.2 减缩级建模(Reduced Order Modeling)182

9.5.3 系统级建模(System Level Modeling)182

9.5.4 工具包(Tool Suites)182

9.5.5 其他183

参考文献183

第10章 微型机械的检测技术185

10.1 材料力学特性的检测185

10.1.1 间接法测量弹性模量185

10.1.2 直接法测量弹性模量188

10.1.3 微摩擦力的检测192

10.2 微结构应力应变的测量193

10.3.1 频闪法测转速195

10.3.2 用光纤传感器测转速195

10.3.3 内藏光伏器件测转速195

10.3 微执行器运动速度的检测195

10.3.4 运动参数测试仪196

10.4 微结构动态参数的识别196

10.4.1 独特的激励技术196

10.4.2 各种检测方法199

10.5 微小几何尺寸测量204

参考文献205

11.1.1 微流体理论和技术的研究207

第11章 展望微型机械的未来207

11.1 基础研究方面207

11.1.2 微观摩擦学的研究209

11.1.3 微结构粘附问题的研究209

11.1.4 微型机械所用材料及其性能测试与评估210

11.2 设计与制造工艺211

11.3 应用方面的进展212

11.4 人才培养219

参考文献224

附录 微型机械常用词汇（英汉对照）226