Microengineering, MEMS, and Interfacing: A Practical Guide

Table of Contents......Page 14
I.1.1 What is microengineering?......Page 24
I.1.2 Why is microengineering important?......Page 26
I.1.3 How can I make money out of microengineering?......Page 28
References......Page 30
1.1 Introduction......Page 32
1.2 UV Photolithography......Page 33
1.2.1 UV Exposure Systems......Page 34
1.2.1.1 Mask Aligners......Page 35
1.2.1.3 Optical Systems......Page 38
1.2.1.4 Optical Oddities......Page 42
1.2.3 Photoresists and Resist Processing......Page 44
1.2.3.1 Photoresists......Page 45
1.2.3.2 Photoresist Processing......Page 47
1.3 X-Ray Lithography......Page 51
1.3.1 Masks for X-Ray Lithography......Page 52
1.4 Direct-Write (E-Beam) Lithography......Page 53
1.5 Low-Cost Photolithography......Page 55
1.6 Photolithography - Key Points......Page 57
References......Page 58
2.2 Silicon......Page 60
2.3 Crystal Growth......Page 62
2.4 Doping......Page 63
2.4.2 Ion Implantation......Page 64
2.5 Wafer Specifications......Page 65
2.6.1 Materials and Deposition......Page 68
2.6.1.1 Depositing Thin Films......Page 70
2.6.2 Wet Etching......Page 75
2.6.3.1 Relative Ion Etching......Page 79
2.6.3.2 Ion-Beam Milling......Page 80
2.6.4 Liftoff......Page 81
2.7.1.1 Pits, Mesas, Bridges, Beams, and Membranes with KOH......Page 82
2.7.1.2 Fine Points through Wet and Dry Etching......Page 86
2.7.2 Surface Micromachining......Page 87
2.7.5 Wafer Bonding......Page 90
2.8.1 The Dicing Saw......Page 91
2.8.2 Diamond and Laser Scribe......Page 92
2.8.3 Releasing Structures by KOH Etching......Page 93
References......Page 95
3.2 Chemical-Mechanical Polishing......Page 96
3.3 Liga and Electroplating......Page 97
3.5 Laser Machining......Page 98
3.5.1 IR Lasers......Page 99
3.5.2 Excimer Laser Micromachining......Page 100
3.6 Polymer Microforming......Page 102
3.6.2 Photoformable Epoxies (SU-8)......Page 103
3.6.4 Dry Film Resists......Page 104
3.6.5 Embossing......Page 105
3.6.6 PDMS Casting......Page 106
3.6.8 Microstereolithography......Page 110
3.7 Electrical Discharge Machining......Page 112
3.8 Photostructurable Glasses......Page 113
3.9 Precision Engineering......Page 114
3.9.1 Roughness Measurements......Page 115
3.10 Other Processes......Page 116
References......Page 117
4.3 Layout Software......Page 118
4.3.1 File Formats......Page 120
4.3.1.1 Technology Files......Page 121
4.3.2 Graphics......Page 123
4.3.4 Text......Page 124
4.3.6 Manhattan Geometry......Page 125
4.4 Design......Page 126
4.4.1.1 Scribe Lane......Page 127
4.4.1.2 Alignment Marks......Page 128
4.4.1.3 Test Structures......Page 130
4.4.1.5 Putting It All Together......Page 131
4.4.2 The Device......Page 134
4.5 Design Rules......Page 140
4.5.1 Developing Design Rules......Page 143
4.6.1 Mask Plate Details......Page 145
4.6.3 Mask Set Details......Page 146
4.7 Generating Gerber Files......Page 147
4.8 Mask Design - Key Points......Page 149
II.1 Introduction......Page 150
II.1.1 Microsystem Components......Page 151
5.2.1 Thermocouples......Page 154
5.2.2 Thermoresistors......Page 155
5.2.3 Thermal Flow-Rate Sensors......Page 156
5.3.1 Photodiodes......Page 157
5.3.3 Charge-Coupled Devices......Page 158
5.3.4 Pyroelectric Sensors......Page 159
5.4 Magnetic Sensors......Page 160
5.5.1 ISFET Sensors......Page 161
5.2.2 Enzyme-Based Biosensors......Page 163
5.6 Microelectrodes for Neurophysiology......Page 164
5.7.1 Piezoresistors......Page 166
5.7.3 Capacitive Sensors......Page 167
5.7.5 Resonant Sensors......Page 168
5.7.7 Pressure Sensors......Page 169
6.2 Electrostatic Actuators......Page 170
6.2.1 Comb Drives......Page 171
6.2.2 Wobble Motors......Page 172
6.3 Magnetic Actuators......Page 173
6.5 Thermal Actuators......Page 174
6.6 Hydraulic Actuators......Page 175
6.8 Microstimulators......Page 176
7.1 Introduction......Page 178
7.2 Basic Chemistry......Page 179
7.2.1 Inorganic Chemistry......Page 180
7.2.1.1 Bond Formation......Page 182
7.2.1.2 pH......Page 184
7.2.2 Organic Chemistry......Page 185
7.2.2.1 Polymers......Page 187
7.2.2.2 Silicones......Page 189
7.2.3 Biochemistry......Page 190
7.2.3.1 Proteins......Page 191
7.2.3.2 Nucleic Acids......Page 193
7.2.3.3 Lipids......Page 195
7.2.3.4 Carbohydrates......Page 198
7.3 Applications of Microengineered Devices in Chemistry and Biochemistry......Page 199
7.3.2 Biochemistry......Page 200
7.3.3.1 Microscopy......Page 201
7.3.3.2 Radioactive Labeling......Page 202
7.3.3.3 Chromatography......Page 203
7.3.3.4 Electrophoresis......Page 204
7.3.3.6 X-Ray Crystallography and NMR......Page 205
7.4.1 Microfluidic Chips......Page 206
7.4.2 Laminar Flow and Surface Tension......Page 207
7.4.3 Electroosmotic Flow......Page 208
7.4.5 Microchannel Electrophoresis......Page 209
7.4.6.1 Laser-Induced Fluorescence (LIF)......Page 213
7.4.6.2 Ultraviolet (UV) Absorbance......Page 214
7.4.6.3 Electrochemical Detection......Page 215
7.4.6.5 Mass Spectrometry......Page 217
7.4.6.7 Other Sensors......Page 218
7.5.1 DNA Chip Fabtrication......Page 219
7.7 Conducting Polymers and Hydrogels......Page 220
7.7.2 Hydrogels......Page 221
References......Page 222
8.2.1 Optical Fiber Waveguides......Page 224
8.2.1.1 Fabrication of Optical Fibers......Page 225
8.3 Integrated Optics Components......Page 227
8.5.1 Lenses......Page 228
8.5.4 Tunable Optical Cavities......Page 229
9.2.1 Design for Assembly......Page 232
9.2.1.1 Auto- or Self-Alignment and Self-Assembly......Page 233
9.3 Passivation......Page 234
9.5 Packaging......Page 235
9.5.1 Conventional IC Packaging......Page 236
9.6.2 Ultrasonic Bonding......Page 237
9.7 Materials for Prototype Assembly and Packaging......Page 238
10.2 The Scanning Electron Microscope......Page 240
10.3.1 Scanning Tunneling Electron Microscope......Page 242
10.3.2 Atomic Force Microscope......Page 243
10.3.5 Artifacts and Calibration......Page 244
10.4.1.1 UV Photolithography for Nanostructures......Page 245
10.4.2 Silicon Micromachining and Nanostructures......Page 247
10.4.3 Ion Beam Milling......Page 248
10.5 Langmuir-Blodgett Films......Page 250
10.6 Bionanotechnology......Page 251
10.6.1 Cell Membranes......Page 252
10.6.3 Molecular Motors......Page 253
10.6.4 DNA-Associated Molecular Machines......Page 255
10.7 Molecular Nanotechnology......Page 256
10.7.2 Dendrimers......Page 257
References......Page 258
III.1 Introduction......Page 260
References......Page 261
11.1.1.1 Voltage and Current Conventions......Page 262
11.1.1.3 The Ideal Resistor......Page 264
11.1.1.5 The Ideal Inductor......Page 265
11.1.1.8 Controlled Sources......Page 266
11.1.1.9 Power Calculations......Page 267
11.1.1.10 Components in Series and Parallel......Page 268
11.1.1.11 Kirchoff’s Laws......Page 269
11.2 Op-Amp......Page 270
11.2.1 The Ideal Op-Amp......Page 271
11.2.1.1 Nonideal Sources, Inverting, and Noninverting Op-Amp Configurations......Page 274
11.2.2 Nonideal Op-Amps......Page 276
11.2.2.1 Bandwidth Limitations and Slew Rate......Page 277
11.2.2.2 Input Impedance and Bias Currents......Page 278
11.2.2.3 Common-Mode Rejection Ratio and Power Supply Rejection Ratio......Page 279
11.2.3.1 Combining White Noise Sources......Page 280
11.2.4.1 The Unity-Gain Buffer Amplifier......Page 281
11.2.4.2 AC-Coupled Amplifiers......Page 283
11.2.4.4 Integrators and Differentiators......Page 284
11.3 Instrumentation Amplifiers......Page 286
11.4 Wheatstone Bridge......Page 288
11.4.1 The Capacitor Bridge......Page 289
11.5.1 RC Filters......Page 291
11.5.2 Butterworth Filters......Page 296
11.5.2.1 Synthesizing Butterworth Active Filters......Page 299
11.5.2.2 Approximating the Frequency Response of a Butterworth Filter......Page 301
11.5.3 Switched-Capacitor Filters......Page 302
References......Page 303
12.1.1 Number Representation......Page 304
12.2 Driving Analog Devices from Digital Sources......Page 305
12.2.1 Pulse-Width Modulation (PWM)......Page 306
12.2.1.1 Estimating the PWM Frequency......Page 307
12.2.1.2 Digital Implementation and Quantization......Page 308
12.2.2 R-2R Ladder Dgital-to-Analog Converter (DAC)......Page 309
12.2.3 Current Output DAC......Page 310
12.3 Analog-to-Digital Conversion......Page 311
12.3.1 Sample Rate......Page 312
12.3.2 Resolution......Page 313
12.3.3 Signal Reconstruction: Sampling Rate and Resolution Effects......Page 314
12.4 Analog-to-Digital Converters......Page 315
12.4.2.1 Integrating ADC......Page 316
12.4.3 Successive Approximation......Page 317
12.4.5 Sigma-Delta Converter......Page 318
References......Page 319
13.2.1 Op-Amp Current Control......Page 320
13.2.1.1 Four-Electrode Configuration......Page 321
13.2.2 Op-Amp Voltage Control......Page 322
13.3.1 The BJT......Page 323
13.3.2 The Mosfet......Page 326
13.4 Relays......Page 329
13.4.2 Relay Types......Page 330
13.5 BJT Output Boost for Op-Amps......Page 331
13.6 Optoisolators......Page 332