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。
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。
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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
原书前言
过去10年,MEMS行业经历了爆炸式增长,广泛应用于各种科学技术领域。任何一本书(包括本书)都难以对其做出全面介绍。然而,本书仍希望依据不同领域的权威资料尽量做到这一点。本书共有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MEMS器件;第10~19章为应用部分,详细阐述以MEMS为基础的各种新颖的应用。本书各章都具完整性,既可以单独阅读,也可与其他章节连贯阅读。下面对本书给出简要评述,以便读者快速找出感兴趣的内容。
第1章(由Daniel Hauden撰写)对MEMS技术及其发展给出了全面评述,是对本书其他章节相关内容的总览。Daniel Hauden博士是法国弗朗什-孔泰大学(Université de FrancheComté,又称贝桑松大学)的名誉教授,就职于FEMTO-ST研究所,始终从事该领域的研究工作。由其撰写的第1章会使读者极好地了解该领域现状。在对技术突破简要地做了评述之后,又对实验室已证明并成功商业化的大量实例进行了介绍,之后阐述了纳米技术和宏观方法之间的关系,最后讨论了纳米技术采用的自下向上的方法(bottom-up approach)。第1章通篇阐述亟待解决的各类科学技术问题,想为新的应用铺平道路。有经验的学者,可以将第1章视为一次重温过程;学生和研究人员,则可将第1章作为着手研究和解决问题的得力“向导”。
第2章(由Bing Miao等人撰写)讨论了用薄膜集成无源组件替代离散无源组件,以减少安装空间并提高电子性能和系统可靠性的技术需求。第2章重点介绍了MEMS应用中以HfO2为基础的高k电介质。第2章的独特之处在于阐述了电子学辐射造成的长期衰减现象(性能和可靠性两方面),这是比较少见的研究成果。
硅材料或许是人类史上最理想的材料,肯定适合MEMS器件。同时,诸如铁电材料之类的功能性材料也已逐渐集成在MEMS中,并形成新的功能而使微结构简化。其中,压电性质对于微传感器和致动器应用来说颇具吸引力。压电性质有两个特点:利用外力产生电荷的压电效应和利用外部电场产生力的逆压电效应。这些性质意味着压电材料本身就是传感器和致动器,所以利用集成在MEMS(尤其是简单的微结构)中的压电材料可以实现独特功能。第3章(由日本京都大学Isaku Kanno教授撰写)讨论如何研发这类压电MEMS,为研究人员和从事具体工作的工程师寻求MEMS中的替代材料奠定了良好基础。
陀螺仪是用以测量旋转角度或速度的传感器。自1991年美国Draper实验室发明了第一个硅音叉陀螺仪以来,微机械陀螺仪是目前微传感器市场增长最快的领域。这些器件的应用从汽车消费快速扩展到个人导航系统。目前,绝大部分微机械陀螺仪利用振动元件感知转动,而没有旋转零件或轴承,因此,非常适合用平面工艺来批量生产,并逐渐与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路相集成。第4章(由Ajit Sharma等人撰写)详细阐述了这类陀螺仪的相关内容,以模态匹配音叉陀螺仪作为案例详细介绍其实施细节。第4章的前半部分讨论这类陀螺仪的非理想特性及通过电路解决其缺陷的具体措施,后半部分以案例形式详细阐述实施细节。第4章的内容为第5、8、9章有关陀螺仪的内容定下了基调。
在过去的20多年里,微机械陀螺仪的性能得到了很大提高。1991年以来,微机械陀螺仪的分辨率[用陀螺角随机游走(the random angle walk)表示]就提高了10倍(参考本书第4章)。然而,至今取得的大部分性能改善源自制造技术和封装工艺,一定程度上是源自信号处理电路方面的进步。新的方法是通过研究结构来进一步提高性能改进的数量级。第5章(由Houri Johari撰写)阐述体声波(Bulk Acoustic Wave,BAW)陀螺仪,或许这是未来很有希望的一种陀螺仪方案。研究人员设计了一种单晶硅盘式陀螺仪,让其在简并椭圆体声波模态下工作,频率为1~20MHz。与低频(小于100kHz)挠性陀螺仪相比,其提高了模态匹配条件下陀螺仪的工作带宽,在高Q值(品质因数)模态匹配条件下工作的陀螺仪大大提高了信噪比及陀螺仪性能。第5章对体声波陀螺仪进行了深入评述,为有意从事该项技术研究的人员提供了系统、有价值的内容。
第6章(由Hyung Suk Yang等人撰写)首先提出了非常好的问题:作者通过观察认为,尽管MEMS市场已有大幅增长,但该行业由少数几个大国主导,有什么因素会阻碍该增长趋势呢?怎样才能更大规模地应用MEMS器件呢?当成本为首要考虑因素时,可以直接应用法国市场调研公司Yole Développement总结的MEMS法则:“一种产品,一种工艺,一种封装”(资料源自MEMS Mayket Overview, 2010)。该MEMS法则是针对所观察到的下述趋势:制造MEMS器件的工艺和封装技术非常独特,使其无法标准化,需要对每种产品专门进行定制。在微电子行业,已经有众多成功的无工厂小型公司利用代工厂满足了制造和封装需要。相比之下,许多MEMS公司都需要大量的前期投资。这是讨论可能的解决方案的重要背景,对于第6章讨论的利用挠性I/O技术和硅通孔技术(throughsilicon via technologies)的新进展更是如此。作者相信,可以为先进的CMOS和MEMS器件创建一个通用的集成平台。第6章概述了CMOS的三维集成,并介绍了MEMS技术提供的良好的单片集成性能及能简化混合集成的工艺。充分利用CMOS和MEMS三维集成优越性的关键,是采用如挠性互连和硅通孔之类的先进互连技术。第6章将讨论采用该互连技术的原因和需求,并阐述设计和制造方面的挑战。
第7章(由Marcin Marzencki和Skandar Basrour撰写)介绍的内容是要解决现代电子产品时代一个很基本的问题,即器件充电。一个器件从不需要充电将会怎样?能够实现吗?作者认为,正如光能已经成功地用作能量源,那么人们周围环境充满的能够产生能量的压力变化、结构变形或机械振动也可以利用。利用这类能量的方法称为环境能量收集技术。第7章主要介绍了利用压电MEMS器件采集环境机械振动能量的方法。MEMS的任务是使这类能量采集装置微型化,与电子装置集成,从而为完全自主运转的微系统开辟一条途径。第7章针对这类可能系统讨论了相关模型,并从理论和测量两个方面进行十分详细的介绍,最后给出了丰富的参考文献,对从事该领域的研究人员来说是最佳的参考资料。
第8章(由Hongzhi Sun和Huikai Xie撰写)首先介绍了电容式MEMS陀螺仪接口电路的基本知识,从理论上详细分析了陀螺仪的工作原理及不足之处。与第4章相比,第8章重点介绍了电容式传感器及相关电路,包括连续和离散两种时间传感技术。第8章的内容是针对电容式接口陀螺仪的,同时也适合这类接口的MEMS陀螺仪。通过第8章的学习,读者能够扎实理解如何分析接口电路。
第9章(由Vikas Choudhary等人撰写)以电容式振动型MEMS陀螺仪作为典型例子,以独特的视角阐述了最终实现一个坚实、高性能微系统的方法———利用电路设计和信号处理的先进技术形成机电回路。传感器的不足之处可以通过电子签名感知、处理并最后将电子信号发送给传感器进行校正。实际上,可以进一步利用该方法,将信号传输给传感器以模拟能满足规范要求的某种行为(或特性),因此能够得知该系统的正常运作能力,从而构建一个更强大的系统平台。通过大量应用得出结论:这种强大的陀螺仪系统即将出现。通过学习第9章的内容,读者可以对设计一个高性能惯性系统有更深刻的理解。
至今,对体声波谐振器已经研究了几十年,其极大的发展潜力已得到了证实,其影响突出体现在商业化方面,特别是在无线电领域。主要由于其具有高Q值(选择性)陡峭过渡频带,在千赫兹无线电应用中接收或发射链前端,用体声波滤波器代替传统的射频(Radio Frequency,RF)滤波器已是大势所趋。第10章(由Sumy Jose撰写)首先回顾了体声波器件的基本物理学理论,然后详细介绍此类器件。第10章为读者提供了详尽的参考文献,以便读者进一步阅读和开展研究。
第11章(由J.R.Gonzalez等人撰写)介绍了一种特别的应用,即利用MEMS传感器组成超声波接收阵列。第11章重点阐述了作者将压电式转换器和MEMS传感器用于空气中的宽带超声波定位的研究结果;关注点放在了低成本、低功率和宽带方面;解释了传统技术为何不能满足这种要求;进而提出了超声波发射装置的改进措施,使压电转换器带宽有了很大提高;同时,给出了理论和实验结果;最后指出了局部定位系统(Local Positioning System,LPS)新的研究方向。对于工业研究人员和企业家,第11章的内容可以作为这类产品是否有价值的参考资料,有助于将这类以MEMS为基础的器件(或技术)应用于未来的商业终端产品。
第12章(由Hongbin Yu等人撰写)阐述了MEMS的另一种特别的应用。光学光谱仪是很重要的计量仪器。小型化和严酷环境下工作的需要,是研究开发基于MEMS的光学光谱仪的主要动力。第12章向读者介绍了几种以层状光栅为基础、现场用傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)小型显微分光仪的设计。这些产品采用面向绝缘衬底上硅(Sillicon On Insulator,SOI)的微机械加工技术制造,已经证明其重量较轻、成本低和结构紧凑。第12章会使读者对以MEMS为基础、具有先进水平的分光仪及其商业化挑战有全面的了解。
第13章(由Frederic Nabki等人撰写)介绍了微机电谐振器,以及将其与普通电路集成在一块芯片上形成的高度紧凑的子系统,重点是射频方面的应用。第13章首先阐述了MEMS谐振器的入门知识,准确定义了相关的所有性能参数、模型和非线性;然后详细介绍了此类谐振器的几种应用,如滤波器和振荡器。第13章详细讨论了MEMS谐振器,并给出以谐振器为基础的完整系统的案例分析。第13章通篇是MEMS谐振器的相关内容,相信读者一定会欣赏其材料的完整性,可以作为该领域研究人员和学生的重要参考。
捕捉刚体运动技术有许多应用,第14章(由Hassen Fourati等人撰写)首先建议采用鲁棒替代法评估刚性物体(一种动物身体)的运动图像(振幅或方位)。为此,第14章作者研究团队根据三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪(惯性测量装置)原理设计出了一种可穿戴式惯性磁MEMS传感器组件,并给出了这种应用的详细结果,为此类MEMS应用的未来商业化提供重要参考。
药物控释应用方面的MEMS技术,已经引起人们的极大关注。专门设计的植入式MEMS器件是利用微型器件使药物在病灶部位局部受控释放,与普通的全身给药方法(对全身可能会有负面影响)相比,可以提供更有效的治疗。第15章(由Mohamed Sultan Mohamed Ali和Kenichi Takahata撰写)重点介绍了无线微致动器在类似上述应用中的最新研究成果。第15章介绍的内容十分完整,详细阐述了这种特别装置及其应用。
一方面模仿人的触觉,另一方面对触觉反馈进行精准再现,这一体两面的问题一直是机器人技术领域的一大挑战。第16章(由M.Amato等人撰写)讨论了MEMS技术在触觉感测和触觉驱动领域中的应用。第16章首先介绍了人的触觉,及其是如何激励和驱动触觉系统设计的;然后,评述触觉传感器和致动器中MEMS技术的工艺水平,包括工作原理、优缺点(重点是MEMS的软件技术)和仿生法。
设计有集成加热元件(微加热板)的装置构成了另一类MEMS器件,可以为传感器营造几百摄氏度的温度环境。第17章(由Jürgen Hildenbrand等人撰写)详细介绍了这类以MEMS为基础的微加热板装置,首先评述这类装置目前的工艺水平;然后讨论了微加热板的设计过程,给出了其特性和详细的讨论结果;最后介绍了几种应用实例,如微加热板在以氧化物金属为基础的气体传感器和热辐射源中的应用。
第18章(由Yao- Chiang Kan撰写)介绍了采用集成无线电路来组成惯性测量装置(Inertial Measurement Unit,IMU),以实现方便的连续监控技术。第18章首先叙述了惯性导航的基础理论、MEMS惯性测量装置的误差特性及对计算位置的影响;之后,介绍了射频技术中的应用,重点是不同应用中的天线问题;接着,阐述了作者研发的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)-使能惯性传感器节点(Inertial Sensor Node,ISN),并讨论了应用。第18章的重点是从应用角度讨论了WSN-使能ISN技术包含的主要部分。第18章的内容可为该领域从事具体工作的应用工程师提供重要参考。
第19章(由Sylvain Ballandras等人撰写)讨论被动式声-电器件及其在有线和无线系统中的应用。长期以来,被动式声-电器件广泛应用于射频领域,研究人员已经对利用这些器件研发传感器和相关系统的可能性进行了广泛调研,并在学术和工业领域取得了长足发展。可以用不同方法分析这些传感器,如时间域分析法,或者使用与传感器性质有关的光谱技术。第19章介绍了射频声波器件的基本原理及各种常用传感器结构;通过实例说明了这些器件的设计和制造过程,重点讨论了为操控传感器研发的不同电子系统;同时介绍了这些系统目前的先进水平,包括精度、分辨率、稳定性、询问距离和长期鲁棒性;并讨论了其进一步发展及目前和未来应用。
感谢所有为本书做出贡献的人员。维卡斯·乔杜里还要特别感谢美国亚德诺半导体技术(Analog Devices)有限公司的S. Karthik和Farhad Vazehgoo先生的鼓励。最后,真诚感谢美国CRC出版社及其员工花费大量时间进行编辑审校,使本书顺利出版。
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