CMOS技术中的集成化学微传感系统 (美)海尔莱曼(Hierle－mann,A.)著 97 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 97年出版

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030182388

商品编码：29696633109

包装：平装

出版时间：2007-01-01

基本信息

书名：CMOS技术中的集成化学微传感系统

定价：36.00元

作者：(美)海尔莱曼(Hierle－mann,A.)著

出版社：科学出版社

出版日期：2007-01-01

ISBN：9787030182388

字数：

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版次：1

装帧：平装

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编辑推荐

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内容提要

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本书涵盖了CMOS化学微传感系统的各个领域，详细论述了化学微传感器在CMOS中的集成技术。在做了简要介绍之后，阐述了所有的基础知识，介绍了各种化学敏感方法，并介绍了CMOS技术及其在微、传感器中的应用，后对未来的发展作出了展望。
　　本书内容丰富，涵盖了大量的基础知识及CMOS技术中化学微传感器的相关重要信息，适合希望从事此领域工作的学生、工程技术人员、科学家阅读，对于熟悉本领域的专家也很有参考价值。

目录

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Preface
1 Introduction
2 Fundamentals of Chemical Sensing
3 Microtechnology for Chemical Sensors
　3.1 Microtechnology Substrate Materials
　3.2 Fundamental Semiconductor Processing Steps
　　3.2.1 Deposition
　　3.2.2 Patterning
　　3.2.3 Etching
　　3.2.4 Doping.
　3.3 CMOS Technology
　3.4 Microfabrication for Chemical Sensors
　　3.4.1 Micromachining for Chemical Microsensors
　　3.4.2 Wafer Bonding
　　3.4.3 Sensitive-Layer Deposition
4 Microfabricated Chemical Sensors
　4.1 Chemomechanical Sensors
　　4.1.1 Rayleigh SAW Devices
　　4.1.2 Flexural-Plate-Wave or Lamb-Wave Devices
　　4.1.3 Resonating Cantilevers
　4.2 Thermal Sensors
　　4.2.1 Catalytic Thermal Sensors (Pellistors)
　　4.2.2 Thermoelectric or Seebeck-Effect Sensors
　4.3 Optical Sensors
　　4.3.1 Integrated Optics
　　4.3.2 Microspectrometers
　　4.3.2.1 Fabry-Perot-Type Structures
　　4.3.2.2 Grating-Type Structures
　　4.3.3 Bioluminescent Bioreporter Integrated Circuits (BBIC)
　　4.3.4 Surface Plasmon Resonance (SPR) Devices
　4.4 Electrochemical Sensors
　　4.4.1 Voltammetric Sensors
　　4.4.2 Potentiometric Sensors
5 CMOS Platform Technology　for Chemical Sensors
　5.1 CMOS Capacitive Microsystems
　　5.1.1 CMOS Capacitive Transducer
　　5.1.2 On-Chip Circuitry of the Capacitive Microsystem
　　5.1.3 Capacitive Gas Sensing
　5.2 CMOS Calorimetric Device
　　5.2.1 CMOS Calorimetric Transducer
　　5.2.2 Calorimeter Circuitry
　　5.2.3 Calorimetric Gas Sensing
　5.3 CMOS Integrated Resonant Cantilever
　　5.3.1 Resonant Cantilever Transducers
　　5.3.2 Microcantilever Circuitry
　　5.3.3 Microcantilevers as Chemical Sensors
　　5.3.4 Comparison of Cantilevers　to Other Mass-Sensitive Devices
　5.4 CMOS Microhotplate System Development
　　5.4.1 CMOS Microhotplates
　　5.4.2 Hotplate-Based CMOS Monolithic Microsystems
　5.5 CMOS Chemical Multisensor Systems
　　5.5.1 CMOS Multiparameter Biochemical Microsystem
　　5.5.2 CMOS Gas-Phase Multisensor System
　5.6 CMOS Chemical Microsensor and System Packaging
　　5.6.1 Simple Epoxy-Based Package
　　5.6.2 Chip-on-Board Package
　　5.6.3 Flip-Chip Package ,
6 Outlook and Future Developments
References
Abbreviations
Index

作者介绍

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文摘

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序言

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CMOS技术在集成化学微传感系统中的应用 本书深入探讨了利用CMOS（互补金属氧化物半导体）技术实现高度集成化化学微传感系统的原理、设计、制造以及应用。当前，微型化、智能化和网络化的传感技术是信息技术和生物技术领域的重要发展方向，而CMOS技术凭借其成熟的制程工艺、低功耗、高集成度和可扩展性，为实现高性能的化学微传感器提供了坚实的基础。 核心内容概述： 本书从基础的CMOS工艺原理入手，逐步深入到如何利用CMOS器件的特性来构建敏感元件，再到如何将这些敏感元件与信号处理电路、数据采集单元集成在同一芯片上，最终形成一个完整的化学微传感系统。其中，涵盖了以下几个关键方面： 1. CMOS技术基础与微传感器兼容性： CMOS工艺流程回顾： 详细介绍了CMOS制造的核心工艺步骤，包括光刻、刻蚀、薄膜沉积、掺杂等。理解这些基本工艺对于设计与CMOS兼容的传感器至关重要，因为它决定了哪些材料和结构可以在标准CMOS生产线上实现，从而降低了制造成本和提高了可制造性。 CMOS器件特性与传感机制的结合： 探讨了CMOS器件（如MOSFET、BJT、电容器等）在作为传感器时的基本工作原理。例如，MOSFET的沟道电导对栅极表面的化学物质浓度变化敏感，可用于构建场效应晶体管（FET）类传感器；电容器的介电常数变化也可用于检测特定物质。 后CMOS处理技术： 针对直接在CMOS晶圆上进行传感器敏感层的构建，本书详细介绍了各种后CMOS处理技术，如微流控通道的集成、敏感材料的沉积与图案化、表面改性技术等。这些技术确保了传感器在CMOS芯片上的功能实现，并保证了与CMOS电路的电学和物理接口的兼容性。 2. 基于CMOS的化学敏感材料与传感机制： 有机敏感材料： 介绍了多种适用于CMOS集成的有机敏感材料，例如导电聚合物、分子印迹聚合物、液晶材料等。这些材料具有高选择性、高灵敏度以及易于化学修饰的特点，可以与CMOS器件的栅极或通道区域集成，响应特定化学物质的吸附或反应。 无机敏感材料： 探讨了金属氧化物（如ZnO, TiO2）、半导体纳米材料（如石墨烯, 碳纳米管, 量子点）以及陶瓷材料在CMOS传感器中的应用。这些材料通常具有优异的热稳定性、化学稳定性和响应特性，能够通过改变其电导率、表面电势等来检测气体、液体中的目标分析物。 生物敏感材料： 重点介绍了酶、抗体、DNA等生物分子在CMOS传感器中的应用。通过将这些生物识别元件固定在CMOS传感界面上，可以构建高特异性的生物传感器，用于检测生物标志物、病原体等。本书还讨论了如何通过特定的化学键合方法，将这些生物分子稳定地连接到CMOS表面，并保持其生物活性。 传感机制的详细阐述： 针对不同的敏感材料和目标分析物，本书详细分析了其对应的传感机制，例如： 电化学传感机制： 基于电荷转移、氧化还原反应等，将化学信号转化为电信号。 表面等离子体共振（SPR）机制： 利用金属纳米结构与分析物相互作用引起的SPR信号变化进行检测。 场效应传感机制： 通过目标分析物改变敏感层表面电荷分布，进而影响CMOS场效应晶体管的导电特性。 电阻式传感机制： 分析物与敏感材料的相互作用导致敏感材料电阻率发生变化。 电容式传感机制： 分析物改变敏感层与电极之间的介电常数，引起电容变化。 3. 集成设计与芯片架构： 敏感元件的设计与优化： 详细讨论了如何设计不同类型的CMOS传感器单元，包括FET传感器、电容传感器、电阻传感器等。这包括对器件结构、栅极面积、敏感层厚度、电极材料等参数的优化，以获得最佳的灵敏度、选择性和响应速度。 信号调理与放大电路： 介绍了在CMOS芯片内部集成低噪声、高精度的信号调理电路，如跨阻放大器（TIA）、差分放大器、滤波器等，用于放大和处理来自敏感元件的微弱信号，并抑制噪声。 模数转换（ADC）与数字信号处理： 探讨了集成ADC的设计，将模拟传感信号转换为数字信号，以便于后续的计算机处理和存储。同时，也介绍了在芯片内或芯片外进行数字信号处理的技术，如数据滤波、校准、模式识别算法等，以提高传感系统的准确性和智能化水平。 电源管理与低功耗设计： 鉴于许多化学微传感系统需要在便携式设备或无线传感器网络中使用，本书也关注了CMOS芯片的低功耗设计策略，包括采用亚阈值工作模式、动态电压频率调整（DVFS）、高效的电源管理单元等。 系统级集成与模块化设计： 强调了将敏感元件、信号处理电路、数据接口等模块化设计，并集成在同一CMOS芯片上的重要性。这不仅可以减小系统体积，降低功耗，还能显著提高系统的可靠性和性能。 4. 制造工艺与封装技术： 标准CMOS工艺线的利用： 详细阐述了如何利用现有的、成熟的CMOS制造工艺线来实现传感器阵列的批量生产，从而降低开发成本和提高生产效率。 面向传感器的特殊工艺步骤： 讨论了在标准CMOS工艺流程后，需要进行的特殊工艺步骤，例如： 敏感材料的薄膜沉积与图案化： 如溅射、化学气相沉积（CVD）、旋涂、喷墨打印等技术，用于在CMOS表面构建特定的敏感层。 微流控结构的制造： 如何在CMOS芯片上集成微流控通道，实现样品的输送、混合和反应，是构建微型化实验室（Lab-on-a-chip）的关键。 表面功能化与修饰： 用于提高敏感层的选择性、灵敏度以及稳定性的表面化学处理技术。 封装与互联： 探讨了如何对集成CMOS微传感芯片进行可靠的封装，以保护敏感元件，并实现与外部电路的电学连接。特别关注了针对化学和生物传感应用的封装技术，如气密性封装、生物相容性封装等。 5. 应用领域与未来展望： 环境监测： 气体传感器（如CO, NO2, NH3, VOCs）、水质传感器（如pH, 污染物检测）。 食品安全： 农药残留检测、微生物检测、新鲜度评估。 医疗诊断： 疾病标志物检测（如血糖、血氧、特定蛋白质）、呼气诊断。 工业过程控制： 反应物/产物浓度监测、工艺参数控制。 可穿戴设备与物联网（IoT）： 集成在智能手表、健康监测设备中的生物传感器和环境传感器。 未来发展趋势： 展望了CMOS集成化学微传感系统在更高集成度、更高灵敏度、更长寿命、更低功耗以及多功能集成等方面的研究方向。包括与人工智能、大数据等技术的融合，实现更智能化的传感与分析。 本书的价值与特色： 本书的独特之处在于，它将CMOS这一成熟的电子技术与化学、生物、材料科学等领域紧密结合，系统性地阐述了如何利用CMOS技术克服传统化学传感器的尺寸、功耗、成本和集成度等方面的限制，从而推动了微型化、智能化化学传感系统的发展。本书不仅为研究人员提供了深入的理论指导和技术参考，也为工程师在实际设计与开发中提供了宝贵的实践经验。其内容涵盖了从基础理论到前沿应用的完整链条，是该领域不可多得的综合性著作。 通过对CMOS技术的深入理解和巧妙应用，本书揭示了实现高效、低成本、多功能的化学微传感系统的无限潜力，为未来的科技发展开启了新的篇章。

评分☆☆☆☆☆

这本书的参考书目部分做得非常出色，简直是一座宝库。我发现作者的引用非常广泛，涵盖了从上世纪七八十年代的经典论文到近两年刚刚发表在顶尖期刊上的最新成果。这不仅仅是一份简单的参考文献列表，更像是作者为读者绘制的一份“知识进化史”。我注意到，他经常会在正文的脚注中标注对某些开创性工作的评价，比如“这一方法的提出是系统集成史上的一个里程碑”。通过这些细微的评价，读者可以迅速辨别出哪些是奠基性的工作，哪些是锦上添花的技术优化。对于希望深入钻研特定子领域的同行来说，这本书极大地节省了他们筛选文献的时间成本。我个人已经把好几个之前不熟悉的领域，通过这本书提供的线索，快速定位到了核心研究组，这对于我接下来的研究方向调整非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面那种深沉的蓝色调配上简洁的银色字体，透露出一种严谨而前沿的科技感。我拿到书的时候，首先翻阅了一下目录，发现编排逻辑非常清晰，从基础的材料科学讲起，逐步深入到微纳加工工艺，最后落脚到实际的传感器应用和数据处理。这对于一个初入这个领域的学习者来说，无疑是一份极佳的路线图。作者在引言部分就强调了跨学科交叉的重要性，不仅仅是化学反应的机理，还涵盖了电子学、流体力学甚至软件算法的融合。我特别欣赏作者在阐述复杂概念时所采用的类比手法，比如将微流控通道的构建比作城市交通规划，一下子就让人抓住了核心难点。虽然书中涉及大量公式和技术图表，但排版处理得非常精妙，图注清晰，注释详尽，即便需要反复研读的段落，也不会让人感到视觉疲劳。整体来看，这本书的制作水准，无论是纸张的质感还是印刷的精度，都体现了出版方对专业学术著作的尊重，拿在手里沉甸甸的，感觉就像握住了一块知识的基石。

评分☆☆☆☆☆

我花了好几天时间仔细研读了其中关于“界面工程”的那几个章节，简直是醍醐灌顶。作者对于不同基底材料表面能调控的深度挖掘，远超我之前读过的任何一本综述性文献。他不仅仅罗列了现有的表面改性方法——比如自组装单分子层（SAMs）的应用，还深入探讨了这些方法在长期稳定性上存在的系统性挑战。我尤其对其中提到的一种新型的“拓扑诱导选择性吸附”机制产生了浓厚的兴趣，书中配有一张剖面图，详细展示了纳米结构如何利用几何限制来实现对特定分析物的超高灵敏度捕获。这种从宏观现象回归到微观结构层面的解释方式，极大地增强了我对“设计”而非仅仅“发现”传感器的理解。对于那些希望将实验室研究成果转化为实际产品的人来说，这本书里的每一个案例分析都像是一份经过实战检验的操作手册，充满了可以借鉴的工程智慧。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在微电子领域工作了十多年的工程师，我对于集成度这个话题总是格外敏感。这本书在讨论CMOS兼容性时，展现出了惊人的洞察力。海尔莱曼教授显然对半导体制造流程了如指掌，他详细阐述了如何将湿法化学反应区域与高精度电路逻辑区域在同一硅片上进行“分区规划”。书中有一张关于“串扰抑制”的示意图，展示了如何利用深度亚微米工艺中的隔离层来有效防止化学环境对敏感MOS晶体管阈值电压的影响。这可不是一般的教科书敢于深入讨论的细节，很多细节都涉及到工厂的Know-How。读完这部分，我立刻反思了我们团队目前在下一代芯片设计中遇到的一个关键瓶颈——那就是如何在保证生物相容性的同时，确保CMOS电路的长期可靠运行。这本书提供了一种全新的思维框架，让我意识到，问题可能出在更底层的界面物理上。

评分☆☆☆☆☆

这本书的写作风格，说实话，带着一种典型的欧洲学者特有的那种冷静和严谨，但又不失其作为技术指导手册的实用性。作者似乎非常注重知识体系的自洽性，很少出现那种为了强调某个技术的先进性而进行夸大宣传的口吻。相反，他会非常坦诚地指出当前技术在功耗、集成密度以及长期漂移等方面的局限性。我感觉这本书更像是一位经验丰富的大师，在向下一代“传经授宝”，既指明了前方的光明大道，也毫不避讳地指出了路上的那些暗礁险滩。读到关于信号采集和噪声抑制的那部分时，作者提供了一套基于嵌入式系统的实时滤波算法，其代码结构清晰易懂，即便是对嵌入式编程不那么精通的化学背景研究者，也能快速上手进行初步的系统搭建和验证。这种将理论与实践紧密结合的叙事策略，是这本书区别于其他纯理论教材的关键所在。