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Chapter1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 1
1£®1¡¡ConceptofMEMS ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 1
1£®2¡¡DevelopmentofMEMS ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 4
1£®3¡¡MEMSCAD ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 9
Chapter2¡¡BasictheoryofMEMS ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 12
2£®1¡¡TheoryofelectrostaticMEMScombactuators ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 12
2£®1£®1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 12
2£®1£®2¡¡Operatingprinciples ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 13
2£®1£®3¡¡Platecapacitortheoryinidealcondition ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 14
2£®1£®4¡¡ThemodifiedmodelofMEMSplatecapaciator ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 17
2£®1£®5¡¡Calculationofelectrostaticcombdrivingforceinidealsituation ¡­¡­¡­¡­¡­ 24
2£®1£®6¡¡Weakcapacitancedetectionmethodofelectrostaticcombdrive ¡­¡­¡­¡­¡­ 26
2£®2¡¡RelevanttheoreticalcalculationsfortheMEMScantileverbeam ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 34
2£®2£®1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 34
2£®2£®2¡¡Theoreticalcalculationmethodforcantileverbeam ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 35
2£®2£®3¡¡RelevanttheoreticalcalculationofaxialtensileandcompressiveonsingleGend
clampedbeams ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 36
2£®2£®4¡¡RelatedtheoreticalcalculationsofdoubleGendclampedbeamsaxialtension
andcompression ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 40
2£®3¡¡MembranetheoryofMEMS ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 47
2£®3£®1¡¡Theoryofclampedaroundcirculardiaphragm ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 48
2£®3£®2¡¡Theoryofclampedaroundrectangularflatdiaphragm ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 49
References ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 52
Chapter3¡¡MEMSmaterials ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 53
3£®1¡¡Monocrystallinesilicon ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 53
3£®1£®1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 53
3£®1£®2¡¡Crystalorientationofmonocrystallinesilicon ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 55
3£®2¡¡Polycrystallinesilicon ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 64
3£®3¡¡Silica ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 66
3£®4¡¡Piezoelectricmaterials ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 67
3£®4£®1¡¡Piezoelectriceffectandinversepiezoelectriceffectofmaterials ¡­¡­¡­¡­¡­ 67
3£®4£®2¡¡Quartzcrystal ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 68
3£®4£®3¡¡Piezoelectricceramics ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 73
3£®5¡¡OtherMEMSmaterials ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 75
3£®6¡¡Summary ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 76
Chapter4¡¡MEMStechnology ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 77
4£®1¡¡MEMSlithographyprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 78
4£®2¡¡KeytechnologyofMEMSlithographyprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 80
4£®2£®1¡¡Wafercleaning ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 80
4£®2£®2¡¡Siliconoxidation ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 80
4£®2£®3¡¡Spincoatingprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 87
4£®2£®4¡¡Prebaking ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 90
4£®2£®5¡¡Exposure ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 92
4£®2£®6¡¡Development ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 94
4£®2£®7¡¡Hardening ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 96
4£®2£®8¡¡FabricationoftheSiO2 window ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 97
4£®3¡¡SubsequentprocessofMEMS ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 98
4£®3£®1¡¡Bulksilicontechnology ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 98
4£®3£®2¡¡Surfacesiliconprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 103
4£®3£®3¡¡LIGAtechnology ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 104
4£®3£®4¡¡Sputteringtechnology ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 105
4£®3£®5¡¡LiftGoffprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 107
4£®4¡¡Filmpreparationtechnology¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 107
4£®5¡¡Bondingprocess ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 108
4£®5£®1¡¡Anodicbondingprocess¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 109
4£®5£®2¡¡SiliconGsilicondirectbonding ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 110
4£®5£®3¡¡Metaleutecticbonding ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 113
4£®5£®4¡¡Coldpressureweldingbonding ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 114
4£®6¡¡Engineeringexamplesofcombinationformultipleprocessestofabricatethe
MEMSdevice ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 115
4£®6£®1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 115
4£®6£®2¡¡EngineeringexampleoffabricationprocessforresonantMEMSgyroscope
¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 115
4£®6£®3¡¡EngineeringexampleofelectromagneticmicroGmotorproductionprocess
¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 118
4£®7¡¡Summary ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 124
References¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 125
Chapter5¡¡Frictionwearandtearundermicroscale ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 126
5£®1¡¡OffGchiptestingmethodformicrofriction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 127
5£®1£®1¡¡MicroGtribologytestwiththepinGonGdiscmeasuringmethod ¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 127
5£®1£®2¡¡MicroGtribologytestwithAFM ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 128
5£®1£®3¡¡MicroGtribologytestwithspecialmeasuringdevice ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 130
5£®2¡¡OnGchiptestingmethodformicrofriction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 132
5£®2£®1¡¡OnGchiptestingmethodactuatedbyelectrostaticforce ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 132
5£®2£®2¡¡OnGchipmicroGfrictiontestingmethodusingthemechanismcharactersof
thebimorphmaterial¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 139
5£®3¡¡ExampleofthedesignforanonGchipmicroGfrictionstructure ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 141
5£®3£®1¡¡Structureandworkingprinciple ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 141
5£®3£®2¡¡Calculationofpertinenttheory ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 142
5£®3£®3¡¡Technologicalanalysisofstructuraldesign ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 148
5£®3£®4¡¡Testingresultsanddataanalysis¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 152
5£®3£®5¡¡ResearchandtestofwearproblemofMEMSdevices ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 161
5£®4¡¡Summary ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 165
References¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 165
Chapter6¡¡MEMStestingtechnologyandengineeringapplication ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 169
6£®1¡¡Accelerationmeasurementandcorrespondingsensors ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 169
6£®1£®1¡¡Workingprincipleoftheaccelerationsensorandtheclassification ¡­¡­¡­ 170
6£®1£®2¡¡Capacitivesiliconmicromechanicalaccelerometer ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 172
6£®1£®3¡¡Piezoresistivesiliconmicromechanicalaccelerometer ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 173
6£®1£®4¡¡Piezoelectricmicromechanicalaccelerometer ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 174
6£®1£®5¡¡ResonantsiliconMEMSaccelerometer ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 175
6£®2¡¡Angularspeedmeasurementandcorrespondingsensors ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 177
6£®2£®1¡¡Workingprinciple ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 177
6£®2£®2¡¡DevelopmentofMEMSgyroscope ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 178
6£®2£®3¡¡Classificationofmicromechanicalgyroscope ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 188
6£®3¡¡Pressuremeasurementandcorrespondingsensors ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 190
6£®3£®1¡¡Workingpincinple ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 190
6£®3£®2¡¡Resonantsiliconmicromechanicalpressuresensoranditsdevelopment ¡­ 193
6£®4¡¡MeasurementofmicroGtorque ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 198
6£®4£®1¡¡Introduction ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 198
6£®4£®2¡¡Workingprincipleofnoncontactmethod ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 199
6£®4£®3¡¡Theoreticalcalculation ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 200
6£®4£®4¡¡Correspondingequipmenttorealizethenoncontactmethod ¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 205
6£®4£®5¡¡Experimentresultanddiscussion ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 209
6£®5¡¡Microscopicmorphologytestingmethod ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 211
6£®6¡¡Summary ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 212
References¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 212
Chapter7¡¡Applicationexamplesofthefiniteelementmethodinthedesignof
MEMSdevices ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 218
7£®1¡¡Importantconceptsofthesoftware¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 218
7£®2¡¡IntroductionoftheAnsyssoftwareinterface¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 220
7£®3¡¡ThecoordinatesysteminAnsys ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 221
7£®4¡¡Engineeringexamples ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 226
7£®4£®1¡¡StaticanalysisofsingleGclampedbeam ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 226
7£®4£®2¡¡ModalanalysisofdoubleGclampedbeam ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 245
7£®4£®3¡¡CapacitanceanalysisofMEMSelectrostaticcombfingersdrive ¡­¡­¡­¡­¡­ 257
7£®4£®4¡¡Fatiguestrengthcalculationexample ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 264
7£®5¡¡Summary ¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­¡­ 272