官术网_书友最值得收藏!

1.2 MEMS的基礎理論

1.2.1 微機械常用材料

在微機械中通常使用的功能材料是硅,硅材料發揮著重要的作用,主要原因是硅材料含量豐富、具有優良的機械特性和電性能,而且在微電子加工中有現成的加工工藝。除了硅材料外,還有金屬及金屬氧化物、陶瓷和聚合物等材料可用。微機械常用材料的用途、制作工藝及特征如表1-1所示。

表1-1 微機械使用的材料和特性

1.硅

硅具有以下優點:

(1)硅具有優良的機械特性,其力學性能穩定,比不銹鋼的拉伸強度高,硬度高,彈性好,抗疲勞。

(2)熔點高達1400℃,是鋁的兩倍。

(3)無機械延遲。

(4)硅片表面光潔,利用光刻技術和自動生產線可廉價大量生產。

硅材料多制成單晶硅芯棒,單晶硅是微電子機械系統用做襯底的主要材料。單晶硅具有良好的機械物理性能,性能穩定。硅晶體的晶格缺陷少,經過微細加工后,容易獲得平整的表面。單晶硅具有壓電、電磁、熱敏等多種效應,因此可用于加工微傳感器和微執行器。硅化物主要包括多晶硅、氧化硅、碳化硅和氮化硅,都是微電子機械系統常用材料。

2.金屬及金屬氧化物

薄膜金屬厚膜結構是用來制造微電子機械系統部件的,大多數厚膜金屬被用做末級部件結構材料,或者用做陶瓷微膜上聚合物的鑲嵌部件。用于MEMS的各種合金及其相關工藝也得到了很好的發展,目前最常用的形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)為銅基合金,其具有成本低、熱導率高、反應時間短的優點。CoNiMn薄膜已被用做磁執行器中的永久磁性材料;NiFe坡莫合金厚膜已被用于硅片的襯底;1963年發現的TiNi合金具有形狀記憶效應,已經有人將其用在襯底上,用于表面貼裝組件的感測和制動,如劍橋大學研制的SMA驅動微泵,通過在TiNi合金上加不同的溫度來驅動TiNi合金上下震動,從而能帶動多晶硅膜也隨之震動,實現微泵的制動。

通常都用ZnO薄膜制備聲波傳感器。體聲波情況下的調諧來回插入損耗,表面聲波情2況下的延遲線、旋轉器、相關器等的輸出插入損耗及相位特性都可用來測量濺射的ZnO薄膜。ZnO可以用激光輔助的真空蒸發獲得,這種方法使用了CO2激光和ZnO薄膜。激光輔助蒸發ZnO薄膜具有某些特別的優點。首先,整個工藝是沒有污染的;其次,可以蒸發多種大面積的原材料;最后,可現場退火。

3.陶瓷

陶瓷是用于MEMS的一種主要材料,又稱為精細陶瓷材料,通過控制化學合成物質的比例及精密成型燒結,加工成適合微機電系統的陶瓷。對某些特殊用途的MEMS而言,厚膜陶瓷和三維(3D)陶瓷則是必不可少的結構材料。陶瓷在微機電系統中主要用于微傳感器和微執行器的基板和封裝材料,他們主要用的陶瓷材料是壓電陶瓷,壓電陶瓷又分為正壓電效應和逆壓電效應。

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當在電介質的極化方向上施加電場,這些電介質也會發生變形,電場去掉后,電介質的變形隨之消失,這種現象稱為逆壓電效應,或稱為電致伸縮現象。電解質受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的,依據電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型等5種基本形式。壓電晶體是各向異性的,并非所有晶體都能在這5種狀態下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應,但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

壓電陶瓷是功能陶瓷中應用極廣的一種。日常生活中很多人使用的“電子打火機”和煤氣灶上的電子點火器,就是壓電陶瓷的一種應用。點火器就是利用壓電陶瓷的壓電特性,向其上施加力,使之產生十幾千伏(kV)的高電壓,從而產生火花放電,達到點火的目的。

壓電陶瓷實際上是一種經過極化處理的、具有壓電效應的鐵電陶瓷,它是能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷材料性能優異,制造簡單,成本低廉,應用廣泛。例如陶瓷濾波器、聲表面波器件、電光器件、紅外探測器件和壓電陀螺等。

(1)細晶粒壓電陶瓷。

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料,尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級,可以改進材料的加工性,可將基片做得更薄,以提高陣列頻率,降低換能器陣列的損耗,提高器件的機械強度,減小多層器件每層的厚度,從而降低驅動電壓,這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處,但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響,人們更改了傳統的摻雜工藝,使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平?,F在制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。近年來,人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究,并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器(瓷片20~30μm厚),證明了細晶粒壓電陶瓷的優越性。

(2)Pb(Zr, Ti)O3。

Pb(Zr, Ti)O3又稱為PZT,它們具有高的壓電耦合系數和介電系數,因此很適合微傳感器。在某些條件下,PZT的壓電耦合系數要比ZnO或ALN大一個數量級。此外,它們還具有大的熱電響應和大的自生極化,因而成為IR探測器和非易失性存儲器的重要材料。目前,已提出了大量的有關PZT的應用,并且有些已經經過詳盡的研究,例如SAW延遲線、熱電傳感器和存儲器件。關于制備PZT薄膜方法的研究也延續了十余年,其中包括電子束蒸發、射頻(radio frenquency, RF)濺射、離子柬沉積、RF濺射的外延生長、磁控濺射、MOCVD、激光融化以及溶膠-凝膠法,而研究最多的是物理的RF濺射和化學的溶膠-凝膠法。

(3)壓電陶瓷-高聚物復合材料。

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電陶瓷-高聚物復合材料,兼備無機和有機壓電材料的性能,并能產生兩相都沒有的特性。因此,可以根據需要,綜合二相材料的優點,制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高,比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面,壓電復合材料也有較大優勢。

(4)壓電性特異的多元單晶壓電體。

傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強,從而得到了廣泛應用。但作為大應邊、高能換能材料,傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又一次飛躍。現在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產工藝研究,它的批量生產的成功必將帶來壓電材料應用的飛速發展。

4.聚合物

聚合物分子一般較大,是由小分子構造而成的鏈狀分子。MEMS正致力于使用聚合物材料,它們有著吸引人的特點:可鑄性、一致性、易沉淀、薄厚膜、聚合物具有半導體甚至金屬性質和其分子結構有著廣泛的可選性。

聚合物MEMS是指使用聚酰亞胺等樹脂原料的MEMS技術。與硅相比,具有柔軟、易彎曲、光學性質和生物兼容性的特點,而且還具有易于加工技術和低成本的特點。基于聚合物MEMS的加工可以使用不同于使用硅和玻璃材料的MEMS元件的技術。其代表就是將模具壓到材料上進行加工的壓印技術,采用聚合物薄膜、聚合物厚膜和三維聚合物微型結構已經制造各種聚合物部件。

最近幾年,有相當多的聚合物材料被應用到微機電系統中,例如聚酰亞胺、SU-8、液晶聚合物、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對二甲苯和聚四氟乙烯等。

1.2.2 微機械的固體力學問題

隨著人們對固體材料強度和破壞機理的研究不斷深入,人們對材料力學行為的認識已由宏觀層次逐步向著微觀層次深入。微機電系統與微電子技術的區別就在就于器件內部存在機械運動,而力學作為工程學科的分支,主要研究物體的受力及其產生的運動問題。在微機電系統中,無論是壓力傳感器的變形運動還是加速度傳感器的缸體運動,都要對物體的運動進行研究。在MEMS中所涉及到的固體力學問題包括尺寸效應、膜的力學問題、彈性力學問題和梁的力學問題。

區別于常規尺寸,當物體尺寸的減少導致的新現象和新規律可歸結于微尺寸效應。而新規律和新現象的產生必然有其物理上的內在原因。尺寸效應可分為兩類:第一類是當物體的尺寸與載能粒子的平均自由程相當或者稍大時,常規尺度下的連續介質假定不再成立。第二類是當物體的尺寸還沒有小到連續介質假定不能成立的程度,所有常規尺寸下的基本方程和定律還適用,只是由于小的尺寸使得影響物理量的各因素的相對關系的重要性發生改變,從而呈現出新的規律和現象。MEMS技術中的尺寸效應主要屬于第二類。由于MEMS的尺寸很小,各種物理性能都發生了改變,在宏觀系統中的主導量在微型化后將退居次要位置,而在宏觀系統中被認為忽略的物理量,在MEMS中卻成為了影響其性質的主要因素。例如,慣性力比重力縮小得快,固有頻率隨著尺寸的減小反而增大,長度的尺寸變化要比面積減小得慢。

隨著器件或系統的尺寸縮小,它們的性能變化規律如表1-2所示。

表1-2 物理參數的尺寸效應

通過中間的膜片在不同的溫度變化時,會產生不同的型變量變形實現微泵的開關功能;用機械振動原理可以制造出微加速度計、微陀螺儀、壓力傳感器、微諧振器等;根據折梁的力學問題研究其形變量可制造出微執行器、生物芯片等。

1.2.3 微機械的工作原理

由于MEMS的尺寸很小,所以傳統的電機不能用作驅動源使其工作。MEMS的驅動方式大致可分為電磁力、靜電力、壓電力、熱膨脹和形態記憶合金。

MEMS的產品主要由微傳感器、微執行器、微能源、處理電路等部件組成的,目前MEMS產品的能源裝置還是數字電路能源。傳感器是由敏感元件和轉換元件組成的,敏感元件是傳感器中能直接感受外界信號的原件,而轉換元件能將敏感元件感受到得外界信號轉換成合適的電信號。微傳感器具備微型化、集成化、低成本、低功耗、高精度、高壽命、響應速度快等特點。

1.2.4 微構造特性

微構造的特性很大程度上依賴于材料的本質特性。表1-3給出了材料的特性和它們對于微小構造體的影響。

表1-3 材料的特性和對微構造的影響

壓力、速度和振動傳感器的機械特性受到材料內應力和彈性模量的影響很大。這里以圓形薄膜微型壓力傳感器為例,當薄膜中心的形變量比膜厚小很多時,有內部應力存在,壓力p和中心變形w0的關系是:

式中:d為薄膜的厚度,α微薄膜的半徑,E為薄膜的彈性模量,ν為泊松比,σ為內部應力。

圖1-1給出了一組形變和內應力間的計算結果,當內部應力很大(σ>100GPs)時,靈敏度嚴重下降至接近零。當內應力比較?。?span id="hsvjuhf" class="italic">σ<0.1GPa)時,隨彈性模量E的增大,傳感器的靈敏度下降而且與內部應力無關。

圖1-1 圓形薄膜的內應力及形變特性

在微構造的設計中材料的機械特性是至關重要的。表1-4列出了單晶硅和普通材料的機械特性。單晶硅和不銹鋼的楊氏模量基本相同,但單晶硅的降服強度大,是一種很優良的材料。用微型雙支撐梁或懸臂梁這樣的簡單構造就可以測定薄膜的內部應力、楊氏模量等參數。為了控制薄膜的內部應力或彈性模量,常采用向膜內注磷、硼或氫的方法,注入雜質的量不同,效果也不同。

表1-4 常用材料的機械特性

主站蜘蛛池模板: 涞水县| 虞城县| 南汇区| 常州市| 拜泉县| 淅川县| 建始县| 玉龙| 邢台市| 额敏县| 德昌县| 临安市| 营口市| 常州市| 达孜县| 忻城县| 深泽县| 威远县| 高淳县| 阳新县| 怀仁县| 龙井市| 宝清县| 古浪县| 额济纳旗| 石屏县| 岱山县| 凤山市| 桐柏县| 修武县| 潞西市| 洱源县| 安塞县| 富锦市| 灵丘县| 金坛市| 石楼县| 资源县| 五家渠市| 贺兰县| 临桂县|