Preface

About the Authors

Acknowledgments

1 Introduction

1.1 Historical Development of Microelectronics

1.2 Evolution of Microsensors

1.3 Evolution of MEMS

1.4 Emergence of Micromachines

References

2 Electronic Materials and Processing

2.1 Introduction

2.2 Electronic Materials and their Deposition

2.2.1 Oxide Film Formation by Thermal Oxidation

2.2.2 Deposition of Silicon Dioxide and Silicon Nitride

2.2.3 Polysilicon Film Deposition

2.3 Pattern Transfer

2.3.t The Lithographic Process

2.3.2 Mask Formation

2.3.3 Resist

2.3.4 Lift-off Technique

2.4 Etching Electronic Materials

2.4.1 Wet Chemical Etching

2.4.2 Dry Etching

2.5 Doping Semiconductors

2.5.1 Diffusion

2.5.2 Ion Implantation

2.6 Concluding Remarks

References

3 MEMS Materials and their Preparation

3.1 Overview

3.1.1 Atomic Structure and the Periodic Table

3.1.2 Atomic Bonding

3.1.3 Crystallinity

3.2 Metals

3.2.1 Physical and Chemical Properties

3.2.2 Metallisation

3.3 Semiconductors

3.3.1 Semiconductors: Electrical and Chemical Properties

3.3.2 Semiconductors: Growth and Deposition

3.4 Ceramic, Polymeric, and Composite Materials

References

4 Standard Microelectronic Technologies

4.1 Introduction

4.2 Wafer Preparation

4.2.1 Crystal Growth

4.2.2 Wafer Manufacture

4.2.3 Epitaxial Deposition

4.3 Monolithic Processing

4.3.1 Bipolar Processing

4.3.2 Characteristics of BJTs

4.3.3 MOS Processing

4.3.4 Characteristics of FETs

4.3.5 SOl CMOS Processing

4.4 Monolithic Mounting

4.4.1 Die Bonding and Wire Bonding

4.4.2 Tape-Automated Bonding

4.4.3 Flip TAB Bonding

4.4.4 Flip-Chip Mounting

4.5 Printed Circuit Board Technologies

4.5.1 Solid Board

4.5.2 Flexible Board

4.5.3 Plastic Moulded

4.6 Hybrid and MCM Technologies

4.6.1 Thick Film

4.6.2 Multichip Modules

4.6.3 Ball Grid Array

4.7 Programmable Devices And ASICs

References

5 Silicon Micromachining: Bulk

5.1 Introduction

5.2 Isotropic and Orientation-Dependent Wet Etching

5.3 Etch-Stop Techniques

5.3.1 Doping-Selective Etching (DSE)

5.3.2 Conventional Bias-Dependent BSE or Electrochemical Etch-Stop

5.3.3 Selective Etching of n-Type Silicon by Pulsed Potential Anodisation

5.3.4 Photovoltaic Electrochemical Etch-Stop Technique(PHET)

5.4 Dry Etching

5.5 Buried Oxide Process

5.6 Silicon Fusion Bonding

5.6.1 Wafer Fusion

5.6.2 Annealing Treatment

5.6.3 Fusion of Silicon-Based Materials

5.7 Anodic Bonding

5.8 Concluding Remarks

References

6 Silicon Micromachining: Surface

6.1 Introduction

6.2 Sacrificial Layer Technology

6.2.1 Simple Process

6.2.2 Sacrificial Layer Processes Utilising more than One Structural Layer

6.3 Material Systems in Sacrificial Layer Technology

6.3.1 Polycrystalline Silicon and Silicon Dioxide

6.3.2 Polyimide and Aluminum

6.3.3 Silicon Nitride/Polycrystalline Silicon and Tungsten/Silicon Dioxide

6.4 Surface Micromachining using Plasma Etching

6.5 Combined IC Technology and Anisotropic Wet Etching

6.6 Processes Using Both Bulk and Surface Micromachining

6.7 Adhesion Problems in Surface Micromachining

6.8 Surface Versus Bulk Micromachining

References

7 Microstereolithography for MEMS

7.1 Introduction

7.1.1 Photopolymerisation

7.1.2 Stereolithographic System

7.2 Microstereolithography

7.3 Scanning Method

7.3.1 Classical MSL

7.3.2 IH Process

7.3.3 Mass-IH Process

7.3.4 Super-IH Process

7.4 Two-photon MSL

7.5 Other MSL Approaches

7.6 Projection Method

7.6.1 Mask-Projection MSL

7.6.2 Dynamic Mask-Projection MSL

7.7 Polymeric MEMS Architecture with Silicon, Metal, and Ceramics

7.7.1 Ceramic MSL

7.7.2 Metallic Microstructures

7.7.3 Metal-Polymer Microstructures

7.7.4 Localised Electrochemical Deposition

7.8 Combined Silicon and Polymeric Structures

7.8.1 Architecture Combination by Photoforming Process

7.8.2 MSL Integrated with Thick Film Lithography

7.8.3 AMANDA Process

7.9 Applications

7.9.1 Microactuators Fabricated by MSL

7.9.2 Microconcentrator

7.9.3 Microdevices Fabricated by the AMANDA Process

7.10 Concluding Remarks

References

8 Microsensors

8.1 Introduction

8.2 Thermal Sensors

8.2.1 Resistive Temperature Microsensors

8.2.2 Microthermocouples

8.2.3 Thermodiodes and Thermotransistors

8.2.4 SAW Temperature Sensor

8.3 Radiation Sensors

8.3.1 Photoconductive Devices

8.3.2 Photovoltaic Devices

8.3.3 Pyroelectric Devices

8.3.4 Microantenna

8.4 Mechanical Sensors

8.4.1 Overview

8.4.2 Micromechanical Components and Statics

8.4.3 Microshuttles and Dynamics

8.4.4 Mechanical Microstructures

8.4.5 Pressure Microsensors

8.4.6 Microaccelerometers

8.4.7 Microgyrometers

8.4.8 Flow Microsensors

8.5 Magnetic Sensors

8.5.1 Magnetogalvanic Microsensors

8.5.2 Magnetoresistive Devices

8.5.3 Magnetodiodes and Magnetotransistors

8.5.4 Acoustic Devices and SQUIDs

8.6 Bio(chemical) Sensors

8.6.1 Conductimetric Devices

8.6.2 Potentiometric Devices

8.6.3 Others

8.7 Concluding Remarks

References

9 Introduction to SAW Devices

9.1 Introduction

9.2 Saw Device Development and History

9.3 The Piezoelectric Effect

9.3.1 Interdigital Transducers in SAW Devices

9.4 Acoustic Waves

9.4.1 Rayleigh Surface Acoustic Waves

9.4.2 Shear Horizontal Acoustic Waves

9.4.3 Love Surface Acoustic Waves

9.5 Concluding Remarks

References

10 Surface Acoustic Waves in Solids

10.1 Introduction

10.2 Acoustic Wave Propagation

10.3 Acoustic Wave Propagation Representation

10.4 Introduction to Acoustics

10.4.1 Particle Displacement and Strain

10.4.2 Stress

10.4.3 The Piezoelectric Effect

10.5 Acoustic Wave Propagation

10.5.1 Uniform Plane Waves in a Piezoelectric Solid: Quasi-Static Approximation

10.5.2 Shear Horizontal or Acoustic Plate Modes

10.5.3 Love Modes

10.6 Concluding Remarks

References

11 IDT Microsensor Parameter Measurement

11.1 Introduction to IDT SAW Sensor Instrumentation

11.2 Acoustic Wave Sensor Instrumentation

11.2.1 Introduction

11.3 Network Analyser and Vector Voltmeter

11.4 Analogue (Amplitude) Measuring System

11.5 Phase Measurement System

11.6 Frequency Measurement System

11.7 Acoustic Wave Sensor Output Frequency Translation

11.8 Measurement Setup

11.9 Calibration

References

12 IDT Microsensor Fabrication

12.1 Introduction

12.2 Saw-IDT Microsensor Fabrication

12.2.1 Mask Generation

12.2.2 Wafer Preparation

12.2.3 Metallisation

12.2.4 Photolithography

12.2.5 Wafer Dicing

12.3 Deposition of Waveguide Layer

12.3.1 Introduction

12.3.2 TMS PECVD Process and Conditions

12.4 Concluding Remarks

References

13 IDT Microsensors

13.1 Introduction

13.2 Saw Device Modeling via Coupled-mode Theory

13.3 Wireless SAW-based Microsensors

13.4 Applications

13.4.1 Strain Sensor

13.4.2 Temperature Sensor

13.4.3 Pressure Sensor

13.4.4 Humidity Sensor

13.4.5 SAW-Based Gyroscope

13.5 Concluding Remarks

References

14 MEMS-IDT Microsensors

14.1 Introduction

14.2 Principles of a MEMS-IDT Accelerometer

14.3 Fabrication of a MEMS-IDT Accelerometer

14.3.1 Fabrication of the SAW Device

14.3.2 Integration of the SAW Device and Seismic Mass

14.4 Testing of a MEMS4DT Accelerometer

14.4.1 Measurement Setup

14.4.2 Calibration Procedure

14.4.3 Time Domain Measurement

14.4.4 Experimental

14.4.5 Fabrication of Seismic Mass

14.5 Wireless Readout

14.6 Hybrid Accelerometers and Gyroscopes

14.7 Concluding Remarks

References

15 Smart Sensors and MEMS

15.1 Introduction

15.2 Smart Sensors

15.3 MEMS Devices

15.4 Concluding Remarks

References

Appendices

A. List of Abbreviations

B. List of Symbols and Prefixes

C. List of Some Important Terms

D. Fundamental Constants

E. Unit Conversion Factors

F. Properties of Electronic & MEMS Metallic Materials

G. Properties of Electronic & MEMS Semiconducting Materials

H. Properties of Electronic & MEMS Ceramic and Polymer Materials

I. Complex Reciprocity Relation and Perturbation Analysis

J. Coupled-mode Modeling of a SAW Device

K. Suggested Further Reading

L. Webography

M. List of Worked Examples

Index