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第一篇 微系统和纳米技术基础3

第1章 纳时代的信息电子学&李志坚 清华大学3

概述3

1.1 纳时代的CMOSFET3

1.1.1 CMOS技术进展3

1.1.2 小尺寸MOSFET的次级效应5

1.2 纳米MOSFET新结构新材料9

1.2.1 纳米MOSFET新结构9

1.2.2 MOS结构新材料11

1.2.3 终极（ultimate）MOSFET——传统CMOS技术极限12

1.2.4 ULSI连接14

1.2.5 小结15

1.3 新兴纳电子器件15

1.3.1 量子共振隧道器件16

1.3.2 单电子晶体管18

1.3.3 纳米碳管电子学20

1.3.4 自旋电子学24

1.3.5 超导量子干涉器件28

1.3.6 分子电子学33

1.3.7 NEMS37

1.3.8 小结42

1.4 量子信息处理42

1.4.1 SOC和传统信息处理模式的革命42

1.4.2 量子信息处理的基本框架44

1.4.3 量子信息处理的物理实现53

1.4.4 小结62

结束语62

作者介绍62

参考文献62

第2章 微／纳流体力学&何志明 美国加州大学洛杉矶分校 戴聿昌 美国加州理工学院69

概述69

2.1 物理常数70

2.2 基于水动力的流体系统72

2.3 水动力场对生物体的直接操纵73

2.3.1 单细胞操控73

2.3.2 DNA操控73

2.4 电动力场74

2.4.1 电热流74

2.4.2 电渗74

2.4.3 AC电渗75

2.4.4 电润湿76

2.4.5 电泳76

2.4.6 介电电泳77

2.5 微流体生物分析过程78

2.5.1 样品浓缩78

2.5.2 混合79

2.5.3 分离79

2.5.4 电化学DNA探测80

2.5.5 蛋白质探测81

结束语82

致谢83

作者介绍83

参考文献84

第3章 微系统中的材料问题&蔡炳初 上海交通大学88

概述88

3.1 微系统中材料失效的主要机制89

3.1.1 断裂机制89

3.1.2 黏附（stiction）、摩擦和磨损92

3.1.3 断口分析93

3.2 微系统中微结构材料机械性能测试方法93

3.2.1 微拉伸法94

3.2.2 共振频率法94

3.2.3 鼓胀（bulge）法95

3.2.4 纳米压痕法97

3.2.5 梁弯曲法98

3.2.6 疲劳特性和断裂韧性的测试方法99

3.3 微系统中的结构材料101

3.3.1 硅及硅化物的机械性能102

3.3.2 聚对二甲苯的性能及其应用108

3.4 微摩擦学材料113

3.4.1 自组装单分子膜113

3.4.2 超薄硬质膜115

结束语116

作者介绍117

参考文献117

第4章 微机电系统的数值仿真方法&黄京芳 美国北卡罗来纳大学教堂山分校120

概述120

4.1 微机电系统的数学模型120

4.1.1 多尺度问题121

4.1.2 多物理问题122

4.2 数值方法简介123

4.2.1 有限差分方法123

4.2.2 有限元方法125

4.2.3 积分方程方法127

4.2.4 方法比较130

4.3 积分方程与快速算法131

4.3.1 解的积分形式表示方法131

4.3.2 快速算法135

4.4 积分方程方法的进展与应用150

4.4.1 积分方程的发展150

4.4.2 快速算法的进展154

4.4.3 积分方程与快速算法的应用157

结束语160

作者介绍161

参考文献161

第5章 多学科交叉中的纳米力学&郑泉水 王立峰 徐志平 清华大学167

概述167

5.1 纳米力学模型168

5.1.1 连续介质力学模型169

5.1.2 经验原子模型170

5.1.3 紧束缚与半经验模型172

5.1.4 第一原理模型与从头算方法173

5.2 纳米管的力学174

5.2.1 碳纳米管的分子结构174

5.2.2 碳纳米管基本力学性能的实验测量175

5.2.3 碳纳米管基本力学性能的理论研究179

5.2.4 断裂机制和拉伸破坏强度182

5.2.5 剪切强度和层间滑移183

5.2.6 范德华相互作用影响下的奇异力学行为185

5.3 碳纳米管的力学应用186

5.3.1 碳纳米管增强复合材料186

5.3.2 纳机电器件：振荡器187

5.3.3 力电耦合及其应用188

结束语190

作者介绍190

参考文献191

第6章 纳米结构与单分子的电子输运性质&赵爱迪 侯建国 中国科学技术大学198

概述198

6.1 量子传导与电子隧穿199

6.1.1 量子传导与Landauer-Büttiker公式199

6.1.2 电子隧穿与一维隧穿模型201

6.2 纳米结构电子输运系统203

6.2.1 纳尺度电子输运系统及其构造203

6.2.2 单势垒隧道结与扫描隧道显微镜205

6.2.3 双势垒隧道结与单电子现象209

6.3 实验与进展212

6.3.1 单个原子的电子输运212

6.3.2 单分子的电子输运215

6.3.3 纳米团簇与颗粒223

6.3.4 分子单层膜228

结束语231

作者介绍231

参考文献232

第7章 纳米材料的结构分析和表征&周维列 美国新奥尔良大学 王中林 美国佐治亚理工学院239

概述239

7.1 X射线对纳米粒子的表征239

7.1.1 小粒子的衍射240

7.1.2 纳米粒子衍射的特性240

7.1.3 晶体粒子240

7.1.4 非晶结构241

7.2 扫描电子显微镜在观察纳米材料中的应用242

7.2.1 简介242

7.2.2 扫描电子显微镜的原理243

7.2.3 扫描电子显微镜的构造244

7.2.4 扫描电子显微镜成像原理246

7.3 纳米材料的透射电子显微学及能谱学研究251

7.3.1 透射电子显微学251

7.3.2 高分辨TEM像252

7.3.3 纳米材料中的缺陷257

7.3.4 定量纳米分析260

结束语263

作者介绍263

参考文献264

第二篇 微系统271

第8章 MEMS介绍&戴聿昌 美国加州理工学院271

概述271

8.1 什么是MEMS271

8.2 MEMS技术272

8.2.1 与半导体技术紧密联系272

8.2.2 MEMS基础技术272

8.3 MEMS的简单历史275

8.3.1 电子微小化的开始276

8.3.2 机械微小化的开始276

8.3.3 MEMS的应用和前景279

8.4 MEMS的未来280

8.4.1 “多学科”和“系统”是关键词280

8.4.2 未来有希望的方向281

结束语281

作者介绍281

参考文献282

第9章 微机电传感器&鲍敏杭 复旦大学287

9.1 压阻压力传感器287

9.1.1 金属应变计287

9.1.2 应变式力敏传感器288

9.1.3 半导体的压阻效应288

9.1.4 压阻式压力传感器289

9.1.5 微机械加工的硅压阻式压力传感器290

9.1.6 表压、绝压和差压压力传感器291

9.2 压阻式加速度传感器292

9.3 电容式压力传感器和加速度传感器294

9.3.1 电容式压力传感器294

9.3.2 电容式加速度传感器295

9.4 电容式麦克风296

9.5 谐振式传感器297

9.6 振动式微机械陀螺298

9.7 集成的微机械加速度传感器——微机电系统300

作者介绍302

参考文献302

第10章 微致动器&邹峻 美国得克萨斯A＆M大学304

概述304

10.1 微型静电致动器305

10.1.1 平行平板电容式微型静电致动器305

10.1.2 交叉指状电容致动器307

10.2 微型热致动器310

10.2.1 利用单一材料的热致动311

10.2.2 双金属热致动器312

10.2.3 利用物质相变的热致动314

10.2.4 热气致动315

10.3 微型电磁致动器316

10.3.1 利用电磁场进行的微致动316

10.3.2 利用微加工的磁性材料进行的微致动317

10.3.3 利用集成电磁线圈进行磁致动320

10.4 微型压电致动器322

10.4.1 悬臂梁式微型压电致动器的应用323

10.4.2 薄膜式微型压电致动器的应用324

10.5 其他微型致动器325

10.5.1 形状记忆合金微型致动器326

10.5.2 利用外界气压／液压驱动的微型致动器326

10.5.3 基于电化学反应的微型致动器326

10.6 常用微型致动器的结构、工艺和性能比较327

作者介绍327

参考文献327

第11章 MEMS设计&苏育全 中国台湾清华大学 林立伟 美国加州大学伯克利分校332

概述332

11.1 MEMS设计工具334

11.1.1 CAD框架结构334

11.1.2 分析、优化和加工工具335

11.2 基于体硅微加工的MEMS设计336

11.3 基于表面微加工的MEMS设计342

11.4 未来趋势与总结347

作者介绍348

参考文献349

第12章 微型机电系统的加工制造工艺和技术&王万军 连崑 美国路易斯安娜州立大学353

12.1 微加工技术和分类353

12.2 光刻技术的简介355

12.2.1 几个基本概念355

12.2.2 感光胶的基本构成和紫外感光胶的感光频谱356

12.2.3 光刻的基本流程356

12.2.4 用于光刻的光源、光刻的分辨率及其衍射现象358

12.2.5 多层接触式光刻的校准要求359

12.2.6 掩膜板的设计制造360

12.3 硅表面加工技术361

12.3.1 硅表面工艺的简单介绍361

12.3.2 硅表面工艺的基本工艺流程362

12.4 湿法刻蚀技术365

12.4.1 硅片的表面清洗366

12.4.2 各向同性刻蚀366

12.4.3 各向异性刻蚀367

12.4.4 湿法刻蚀的掩膜板371

12.5 干法刻蚀技术372

12.5.1 等离子体和等离子发生器372

12.5.2 等离子刻蚀的机理373

12.5.3 反应离子刻蚀（RIE）的基本原理375

12.5.4 硅深反应离子刻蚀376

12.6 SU-8的紫外光刻技术及其应用377

12.6.1 SU-8的物理、化学和电特性378

12.6.2 SU-8紫外光刻的基本流程和技术介绍379

12.6.3 衍射问题的产生及其减少措施383

12.6.4 SU-8的倾斜曝光385

12.6.5 紫外光刻SU-8的应用386

12.7 LIGA制造技术389

12.7.1 用于X射线LIGA工艺的光源390

12.7.2 用于X射线LIGA工艺的光刻胶——PMMA391

12.7.3 用于X射线光刻的掩膜板393

12.7.4 X射线光刻后的PMMA的显影396

12.7.5 电镀／电铸成形技术396

12.7.6 注塑／热压成形技术397

作者介绍398

参考文献399

第13章 光MEMS和纳米光子……吴明强 美国加州大学伯克利分校 蔡睿哲 中国台湾大学 Wibool Piyawatta-nametha 美国斯坦福大学 Pamela R.Patterson 美国Malibu,LLC,HRL实验室402

概述402

13.1 致动机制402

13.1.1 静电致动402

13.1.2 磁致动403

13.1.3 热致动404

13.1.4 其他致动机制404

13.2 应用404

13.2.1 显示、成像和显微技术404

13.2.2 光通信412

13.2.3 纳米光子学430

结束语436

作者介绍436

参考文献437

第14章 MEMS封装介绍&乔木 加拿大不列颠哥伦 比亚大学 郑裕庭 中国台湾交通大学 林立伟 美国加州大学伯克利分校447

概述447

14.1 MEMS封装的基本原理447

14.2 目前的MEMS封装方法449

14.3 用于MEMS封装的键合工艺450

14.3.1 MEMS封装的熔合键合450

14.3.2 用于MEMS封装的阳极键合451

14.3.3 环氧键合（黏合剂键合）452

14.3.4 共晶封装452

14.3.5 焊料键合452

14.3.6 局部加热和键合453

14.4 密封／真空封装和应用454

14.4.1 集成微加工工艺454

14.4.2 后封装工艺456

14.4.3 局部加热和键合458

14.4.4 混合方法460

14.5 封装可靠性和加速测试461

14.6 将来的趋势和总结464

作者介绍465

参考文献466

第三篇 纳米技术475

第15章 纳米管、纳米线和纳米带&王中林 王旭东 美国佐治亚理工学院 高瑞平 国家自然科学基金委员会475

概述475

15.1 一维纳米材料的合成工艺476

15.1.1 一维纳米材料的合成工艺简介476

15.1.2 热挥发法的试验过程476

15.1.3 VLS生长机理477

15.2 纳米管结构478

15.2.1 碳纳米管的结构和形貌479

15.2.2 碳纳米管的性质484

15.3 纳米线结构489

15.3.1 纳米线结构的尺寸控制489

15.3.2 纳米线的有序阵列491

15.4 纳米带结构493

15.4.1 氧化锌纳米带493

15.4.2 纳米带家族500

15.4.3 纳米带的性质研究501

15.5 一维纳米材料的应用前景505

15.5.1 激光和发光二极管器件505

15.5.2 场效应管及场发射枪506

15.5.3 化学及生物传感器507

15.5.4 在复合材料中的应用509

结束语510

致谢510

作者介绍510

参考文献511

第16章 半导体纳米晶体——量子点、量子线、量子棒&彭作岩 美国Evident Technology公司517

16.1 半导体纳米晶体简介517

16.2 半导体纳米晶体粒子的电子结构519

16.3 半导体纳米晶体粒子的合成及表征522

16.3.1 半导体纳米晶体粒子在无机基体材料中的合成522

16.3.2 高温配位溶剂金属有机化合物合成法525

16.3.3 氧化镉及其衍生合成法528

16.3.4 半导体纳米晶体的表征530

16.4 半导体纳米晶体的形状及结构控制534

16.5 半导体纳米晶体的核-壳（core-shell）结构539

16.6 半导体纳米晶体在生物检测上的应用543

作者介绍548

参考文献548

第17章 STM和AFM在纳米加工和制造中的应用&张益 胡钧 中国科学院上海应用物理研究所 肖旭东 香港科技大学553

概述553

17.1 对单个原子和分子的操纵和加工553

17.2 表面的纳米刻蚀和加工557

17.3 基于纳米电化学反应的表面加工557

17.4 利用场蒸发现象制作金属纳米结构559

17.5 纳米蘸笔技术559

17.6 纳米嫁接技术561

17.7 SPM在纳米加工和制造中的前景562

作者介绍562

参考文献563

第18章 纳米尺度制造&曾安培 美国亚利桑那州立大学 Andrea Notargiiacomo意大利罗马第三大学565

概述565

18.1 电子束光刻技术566

18.1.1 投影光刻566

18.1.2 直写和剥离工艺567

18.2 离子束光刻技术569

18.2.1 离子投影光刻569

18.2.2 聚焦离子束直写／铣削570

18.2.3 聚焦离子束直写／注入571

18.2.4 聚焦离子束直写／沉积572

18.3 扫描探针显微镜光刻574

18.3.1 扫描隧道显微镜光刻574

18.3.2 原子力显微镜（AFM）光刻576

18.3.3 扫描近场光学显微镜光刻579

18.4 自组装579

18.4.1 以自组装为媒介的图形制作和传递579

18.4.2 采用生物结构的模板化自组装581

18.4.3 力场控制自组装581

结束语582

致谢584

作者介绍584

参考文献584

第19章 基于微机电系统制造工艺的集成纳米技术&李昕欣 王跃林 中国科学院上海微系统与信息技术研究所590

概述590

19.1 从MEMS技术发展到NEMS技术的趋势594

19.2 集成纳米机械制造技术596

19.3 纳机电尺度效应603

19.4 典型集成纳机电器件607

19.5 NEMS技术的发展展望610

作者介绍611

参考文献612

第四篇 微系统和纳米技术应用617

第20章 微机电系统的应用&葛文勋 厦门大学617

20.1 微机电系统（MEMS）的简史和前瞻617

20.2 MEMS的应用618

20.3 一个即将来临的重要应用——生物医药方面的应用619

20.4 植入式微机电系统在物理、医学、药物上的应用620

作者介绍622

参考文献622

第21章 微机电传感系统&周兆英 朱荣 熊沈蜀 清华大学623

概述623

21.1 三维空间的坐标变换和姿态测量628

21.1.1 旋转坐标系628

21.1.2 传感器在地球旋转坐标系中的敏感分量630

21.1.3 从运动物体上的传感器输出解算姿态角632

21.2 多传感器系统的姿态角估计算法633

21.3 传感系统的正交装配误差补偿技术636

21.4 微机电传感应用系统639

21.4.1 空速计640

21.4.2 数字罗盘641

21.4.3 微机电姿态测量仪642

21.4.4 两个旋转坐标系之间的关系和颈椎姿态测量的应用643

结束语644

作者介绍645

参考文献646

第22章 集成CMOS检测电路的表面微机械加速度计&云维杰 美国Telegent Systems公司648

概述648

22.1 介绍648

22.2 背景——文献649

22.2.1 加速度计理论649

22.2.2 加速度计建模659

22.2.3 加速度计例子662

22.3 实验设计：加速度计设计665

22.3.1 敏感单元666

22.3.2 机械悬梁666

22.3.3 电容电桥669

22.3.4 输入缓冲器670

22.3.5 反馈设计671

22.3.6 机电∑-△调制673

22.4 制作技术678

22.4.1 工艺集成680

22.4.2 温度需求681

22.4.3 工艺描述683

22.5 实验结果686

22.6 结论及下一步研究690

作者介绍691

参考文献692

第23章 汽车中的MEMS&张世加 美国德尔福研究室698

概述698

23.1 MEMS技术的本质700

23.2 汽车MEMS705

23.2.1 压力传感器706

23.2.2 加速度计709

23.2.3 固态陀螺713

23.2.4 其他基于MEMS的汽车器件716

结束语718

致谢719

作者介绍719

参考文献719

第24章 生物芯片&程京 清华大学722

概述722

24.1 基础知识、工具和原理723

24.1.1 微阵列芯片检测原理724

24.1.2 常用生物分析技术725

24.2 生物芯片的应用实例731

24.2.1 微阵列芯片731

24.2.2 色谱芯片737

24.2.3 毛细管电泳芯片742

24.2.4 PCR微反应芯片747

24.2.5 样品制备芯片749

24.2.6 芯片实验室752

24.3 生物芯片的未来展望756

作者介绍756

参考文献756

第25章 纳米技术在生物和医学中的应用&高虓虎 美国华盛顿大学 聂书明 美国佐治亚理工学院764

概述764

25.1 量子点767

25.1.1 合成及表面化学768

25.1.2 独特的光学性能770

25.2 生物和医学中的应用772

25.2.1 荧光标记772

25.2.2 光学条形码775

结束语778

致谢778

作者介绍778

参考文献779

第五篇 发展和展望787

第26章 发展和展望787

26.1 微系统技术、微机电系统和纳机电系统&Richard S.Muller美国加州大学伯克利分校787

26.1.1 微米、纳米技术787

26.1.2 硅微加工788

26.1.3 新材料，新技术789

26.1.4 计算机辅助设计790

26.1.5 结论790

作者介绍790

26.2 对MEMS过去现在和未来的一些思考&Wolfgang Menz德国弗莱堡大学791

作者介绍794

26.3 MEMS的历史、经历与展望&Masayoshi Esashi日本东北大学794

26.3.1 简介794

26.3.2 历史和我们的经验794

26.3.3 我的展望797

作者介绍798

参考文献798

26.4 学无止境：正在出现的微纳技术——过去的经历以及未来的预测&Geoff Beardmore英国Myriad技术公司799

26.4.1 我的背景799

26.4.2 基本的智慧800

26.4.3 经验——50年的历程801

26.4.4 预测未来804

作者介绍805

26.5 微流体的未来：低成本技术和微流体平台&Roland Zengerle Jens Ducrée德国弗莱堡大学806

26.5.1 微流体平台的必要性806

26.5.2 什么是微流体平台807

26.5.3 微流体平台的实例807

26.5.4 结论812

作者介绍812

参考文献813

26.6 从纳米技术到纳米制造，再到纳米工业&王中林 美国佐治亚理工学院814

26.6.1 纳米技术：远远不只是小型化814

26.6.2 纳米制造的途径与挑战815

26.6.3 纳米制造——不仅仅是个工程过程820

作者介绍820