微机电系统功能材料、微机械制造技术课件.ppt
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1、第二章 微机电系统功能材料 MEMS 常用材料n半导体材料:硅及其化合物等。 n电致伸缩材料:压电陶瓷、氧化锌、石英等。n磁致伸缩材料:镍铁合金等。n形状记忆材料:镍钛合金等。n其它:特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。n选用依据及实例: 具体设计时,应根据微型元器件的功能,选用能获取系统性能的材料。 例如、对于起制动作用的器件,应选用压电陶瓷、石英、镍钛记忆合金等材料;用做器件和衬底的绝缘层,则可选用硅的氧化层 或 等。2SiO34Si N硅及其化合物 材 料n1、单晶硅;n2、多晶硅;n3、硅蓝宝石;n4、化合物半导体材料;n5、SiC薄膜材料
2、。 导体、半导体及绝缘体n导导 体:体:电阻率n半导体:半导体:电阻率n绝缘体:绝缘体:电阻率310cm381010cmcm810cm 常用材料的电阻率硅材料特性n1、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着广泛的应用,主要是利用硅的机械特性和电学特性。n2、特殊的晶体结构使其具有各项异性,通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。n3、储量丰富,成本低;材质的内含杂质极少,易于提纯,纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一,因而本身的内耗少,力学性能稳定。n4、硅材料质量轻,密度是不锈钢的 13.5。n5、弯曲强度高,为不锈钢的3.5倍。n6、硅的熔点高(1400 ),约为铝的两倍,高
3、熔点使其具有良好的高温稳定性。n7、硅的热膨胀系数比钢小8倍,比铝小10倍。n8、具有很好的导热性,是不锈钢的5倍。n9、机械品质因数可高达 ,硅没有机械迟滞性能,是理想的传感器和致动器材料。n10、与微电子集成电路工艺兼容,易与微机械和微电子线路集成;便于实现批量化生产。0C610 硅的晶体结构n对于硅的原子,硅的晶格几何结构并不均匀,但是硅基本上是面心立方体晶胞。典型的面心立方单位晶胞如图所示。n一个硅的单位晶胞有18个原子,其中8个原子在角部,6个原子在面上,4个原子在内部。 硅晶胞的主平面n前平面(前平面(100100)、对角面()、对角面(110110)、倾斜面()、倾斜面(1111
4、11)n三个主平面(晶面)上的硅原子三个主平面(晶面)上的硅原子 硅材料的各向异性n(111)平面上相邻原子间的晶格距离最短,使该平面的原子间的吸引力大于其它两个平面。同时,该平面包含单位晶胞面心的四个原子的三个,因此,该平面晶体生长最慢,刻蚀等加工过程进行的也最慢。 单晶硅的生产n生产单晶硅盘或生产单晶硅盘或“硅片硅片”的步骤如下:的步骤如下: 原材料的准备和清理;高纯和多晶硅的生产;单晶硅的生长;单晶硅的机械加工。n硅原材料的制取硅原材料的制取 原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。 这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行,可以得到纯度为98的“冶金级硅”。2SiO 2CSi + 2CO
5、n单晶硅的提纯单晶硅的提纯 经过连续分馏、逆向反应及气化分离,可以得到固态的“电子级硅”,其纯度可达 :1,它可以作为单晶硅生产的原料。n单晶硅的生长或单晶硅的生长或“拉制拉制” 常用方法:Czochralski(简称为CZ法)和悬浮区法。-910 硅 CZ 法提纯原理 单晶硅的机械加工 硅的掺杂 N型硅和P型硅半导体材料nP型硅是在纯硅材料中加入了硼(B)原子:由于B原子外面带有3个正电荷,这样当两种原子结合到一起形成共价键时,产生空穴。nN型硅是在纯硅材料中加入了砷(As)或磷(P)原子:由于硅原子外面为带有4个正电荷,而As或P原子外面带有5个正电荷,这样当两种原子结合到一起形成共价键时
6、,产生游离电子。n掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡,促使电子流动加剧,导电性能得到提高。掺杂浓度越高,电阻率越低,越容易导电,硅材料对温度的敏感性多 晶 硅n多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的,不同晶粒有不同的单晶取向,而每一晶粒内部有单晶的特征,因而在热分析和结构分析时可看作各向同性材料。n晶粒与晶粒之间的部位叫晶界,晶界对其电特性的影响可以通过控制掺杂原子浓度来调节。现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。 电阻率随掺B原子浓度的关系n多晶硅膜的电阻率比单晶硅的高,特别是在低掺杂原子浓度下,多晶硅电阻率迅速提高。随掺杂原子浓度不同,
7、其电阻率可在较宽数值范围内变化。电阻温度特性随掺杂原子浓度的关系多晶硅电阻随温度的变化特性电阻温度系数随掺杂原子浓度的关系多晶硅电阻应变灵敏特性n压缩时,电阻下降,拉伸时,电阻上升。n电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。 多晶硅电阻应变灵敏系数与 掺杂原子浓度的关系由图可知,电阻应变灵敏系数随掺杂浓度的增加而略有下降。其中G1是纵向应变灵敏系数,最大值约为金属应变计最大值的30倍,为单晶硅电阻应变灵敏系数最大值的13。Gt为横向应变灵敏系数,其值随掺杂浓度出现正负变化,故一般都不采用。多晶硅的特点n1、具有较宽的工作温度范围(60度300度);n2、可调的电阻率特性;n3、可调的的
8、温度系数;n4、较高的应变灵敏系数及容易调整。n5、与单晶硅压阻膜相比,多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作(如在介电体 ),而且可以更有效地抑制温度漂移,有利于长期稳定性的实现。234SiO , Si N多晶硅敏感电阻压力传感器 多晶硅压阻膜压力传感器输出特性硅蓝宝石(SOS)n硅蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石( )衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分,二者构成硅蓝宝石SOS晶片。23-Al O硅蓝宝石特点n1、蓝宝石材料为绝缘体;n2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计;n3、蓝宝石化学稳定性好,耐腐蚀,抗辐射性能 强;n4、蓝宝石机械强度高。n5、硅蓝宝
9、石材料又脆又硬,其硬度仅次于金刚 石,制作工艺技术比较复杂。 (所以利用硅蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐所以利用硅蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路)腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路) SiC 薄膜材料nSiC是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成,利用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内,便可以获得优质的立方晶体结构的SiC。n特点:具有优异的物理、化学及电学性能,高强度(是高强度(是单晶硅的单晶硅的3 3倍)倍)、大刚度、内部的残余应力很低,较高的压阻系数,熔点高(熔点高(2300 2300 )。因此,SiC材料能在高温下耐腐蚀、抗辐
10、射,非常适合于高温、恶劣环境下工作的微机电系统的选择使用。n由于SiC单晶材料成本高、硬度大及加工难度大,所以以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。与单晶与单晶SiCSiC薄膜相比,多晶薄膜相比,多晶SiCSiC的适用性更广。的适用性更广。0C压电材料n压电效应 压电材料的主要属性是,其弹性效应和电极化效应在机械应力或电场(电压)作用下将发生相互耦合,也就是应力应变电压之间存在内在联系。n正压电效应 在机械应力作用下,将机械能转换为电能。n逆压电效应 在电压作用下,将电能转换为机械能。 压电效应的机理分析n当压电材料在外力作用下产生变形时,会引起它内部正负电荷的转移而产生电极
11、化,使两个相对表面出现符号相反的束缚电荷,外力消失,晶体又恢复不带电的原始状态,产生正压电效应。n当对压电材料施加电场作用时,会引起材料内部正负电荷中心的相对位移,导致材料变形,产生逆压电效应。 压电材料的特点及应用n压电材料可以大块使用也可以小块分散使用,利用利用正压电效应感知外界的机械能,可以制作微传感器;正压电效应感知外界的机械能,可以制作微传感器;利用逆压电效应作为驱动力,可以制作压电微执行利用逆压电效应作为驱动力,可以制作压电微执行器。器。n由于压电材料的的变形量十分微小压电材料的的变形量十分微小,一般仅在几个nm/v,单个压电元件的变形量约为总长度的0.1%0.2,这在需要精密定位
12、的微操作器中很有意义这在需要精密定位的微操作器中很有意义。n压电材料作驱动器时压电材料作驱动器时,它的激励功率小,响应速度响应速度较快,是形状记忆合金的一万倍是形状记忆合金的一万倍。压电器件可做得很薄,且组合灵活。常用压电材料1、石英晶体a)石英晶体是绝缘体,在其表面沉积金属电极引线,不会产生漏电现象;b)材质纯、内耗低及功耗小、机械品质因数的理想值高,迟滞和蠕变极小;c)材质轻,密度为不锈钢的0.3倍,弯曲强度为不锈钢的4倍;d)主要用来制造谐振器、振荡器及滤波器等。n石英的化学组成为SiC2,SiC2的晶体形式即石英晶体。石英晶体的理想形状石英晶体的理想形状为六角锥体,为六角锥体,Z轴为光
13、轴、轴为光轴、Y轴为机械轴、轴为机械轴、X轴为电轴为电轴。轴。石英晶体是各向异性材料,不同晶向具有各异的物理特性。石英晶体又是压电材料,其压电效应与晶向有关。2、压电陶瓷n陶瓷材料是以化学合成物质为原材料,经过精密的成型烧结而成。烧结前,严格控制合成物质的组份比,便可以研制成适合多种用途的功能陶瓷,如压电陶瓷(电致伸缩材料)、半导体陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。n压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的,电极化之后的压电陶瓷为各向异性的多晶体。 压电陶瓷的特点n用于致动器和传感器元件的压电陶瓷,具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外,它对结构的动力学特性的影响很小,并且通
14、过分布排列可实现大规模的结构驱动,因而具有较强的驱动能力和控制作用具有较强的驱动能力和控制作用。n由于压电陶瓷具有微小位移且精度高压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出优势,适应微机械、微机器人微小位移控制的要求,用作压电驱动器是比较理想的用作压电驱动器是比较理想的。n常用的压电陶瓷常用的压电陶瓷 钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(BZT)、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅(PN)、铌酸铅钡锂(PBLN)、改性钛酸铅等。n压电陶瓷的极限应变小,目前还不能作压电陶瓷的极限应变小,目前还不能作为结构材料。为结构材料。磁致伸缩材料n某些铁磁性合金,在外磁场作用下,其体内自发磁化形成的各个磁畴的磁化方向均转向外磁场的方向
15、,并成规则排列而磁化,使体内结构发生应变,伸缩量一般很小, 约为 数量级。这种由于磁而产生应变的现象称为正磁致伸缩效应;反之,磁化的铁磁体在应力作用下产生应变时,其磁畴的结构也将发生变化,使材料体内磁通密度发生变化,形成逆磁致伸缩效应。n磁致伸缩材料在磁场中的伸缩量很小,可以用在微机电系统中作为驱动器(磁机转换)和接收器(机磁转换)等。561010/ l l磁致伸缩换能器为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递,磁致伸缩效应为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递,磁致伸缩效应器件通常设计在其谐振点上工作,因此,设计这类器件主要器件通常设计在其谐振点上工作,因此,设计这类器件主要考虑其振动特性。磁
16、致伸缩换能器工作原理如图所示。考虑其振动特性。磁致伸缩换能器工作原理如图所示。n磁致伸缩材料的特点磁致伸缩材料的特点 具有较高的饱和磁致伸缩系数,即当磁化饱和时,材料沿磁化方向的伸缩比 较大,其值约为 微应变。n常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料 纯镍(Ni)和含68Ni的铁镍合金,含13Al的铁铝磁性合金。镝铽铁合金(Terfenol-D)是最理想的磁致伸缩材料,其在磁场中的伸缩量是其它磁致伸缩材料伸缩量的40倍,并且有较快的响应速度。/ l l 6(30 35) 10形状记忆合金n形状记忆合金(SMA)是一种具有记忆功能的金属材料,即在制作元件时,赋予它一定的形状。在较低温度下,它会改变这种
17、形状;当温度升高到原来温度时,它又会恢复到原来形状。n形状记忆特性的本质是材料的热弹性通过马氏体相变,将热能转变为机械能。n可以通过电流加热的方式,形状记忆合金能发出很大的力,适用于制作制动器或驱动器,如微阀、微泵等。形状记忆合金的应力应变特性热弹性相变与温度、应力及应变有关。在低温或高温状热弹性相变与温度、应力及应变有关。在低温或高温状况下,卸载过程结束时,均无残余的非弹性应变,而呈况下,卸载过程结束时,均无残余的非弹性应变,而呈现出完全弹性。现出完全弹性。 形状记忆合金的特点n形状记忆合金的记忆性随合金材料的不同而不同。最大可恢复应变的记忆上限为15,即形状的变形程度达到原形的的15时,还
18、能“记住”原先的的外形,只要通过加热,形状即可恢复。超过15时,“记忆”将不再现。n形状记忆合金的电阻率较大,故常采用电流加热方式。在恢复其“记忆”形状的过程中,形状记忆合金能发出很大的力,适用于制作致动器或驱动器。如微泵、微阀等n由于形状记忆合金的动作依靠加热和冷却,因此,形状记忆合金的驱动器的响应时间比压电材料驱动器长,但压电材料最大可恢复应变只有1。n形状记忆合金的的最大缺点是要有热源,长期使用会产生蠕变,因此,使用时要注意寿命期限。 形状记忆合金的常用材料n在形状记忆合金材料中,镍钛合金镍钛合金(TiNi)为高性能形状记忆合金材料,具有良好的耐疲劳特性、抗腐蚀性以及较大的可恢复应变量(
19、810)。铜基形状记忆合金铜基形状记忆合金(ZnAlCu,NiAlCu等)的成本低,约为镍钛合金的1,但其最大可恢复应变只有4。 微系统驱动器件常用材料性能比较n微系统驱动件常用材料主要有压电材料、磁致伸缩材料及形状记忆合金。它们的制动能力来源于电致、磁致及热致产生的机械应变。其主要特点及差别如表所示。电流变液和磁流变液材料n电流变液和磁流变液电流变液和磁流变液 电流变液和磁流变液是2种神奇的液体。它们经受电场或磁场作用时,其粘性系数会发生巨变。当其处于常态下,可以很容易搅动;但是当其中有电流或磁流穿过时,它会突然间变得很粘稠。 电流变液和磁流变液性能比较n虽然电流变液和磁流变液二者的物理性质
20、相似,但实际性能却有明显差异。磁流变液与电流变液的塑性相似;但其屈服强度屈服强度却明显高于者高达80 kPa80 kPa而电流变液的屈服强度仅为3kPa3kPa。 n磁流变液对环境的适应能力强,磁流变液对环境的适应能力强,不受加工和使用中混入的化学杂质的影响。在一40十125度环境下工作时,其屈服强度仅产生微小变化,且原料无毒对环境无污染。n电流变液对于生产环境要求相当苛刻,电流变液对于生产环境要求相当苛刻,须严格的质量控制。另外,相同的配比,不同批的电流变液产品,在性能上会表现出较大的差异。电流变液电流变液还有另一大缺点,就是使用的电压很高使用的电压很高,高达几干伏具有一定具有一定的危险性。
21、的危险性。n鉴于此,磁流变液的应用倍受关注。现巳生产出多种标准的磁流变液产品,可用做减振降噪、衰减结构及损伤愈合等方面的制动器件。膨胀合金n膨胀合金是指在一定温度范围内具有特殊的线膨胀系数的合金。膨胀合金在微机电系统中,多用作它的线膨胀系数一致或接近的其它的材料进行匹配封接,以减小热应力发生的可能。n铁镍低膨胀合金、铁、镍、钴及玻璃封接合金、铁镍钴瓷封合金等。金刚石材料n金刚石(钻石晶体形状的碳)形成与制备金刚石(钻石晶体形状的碳)形成与制备 天然金刚石,形成于数百万年前压力极大、温度极高的地壳深处。而人工合成钻石是在巨大的水压中,利用碳(石墨)和金属催化剂制造而成。n金刚石(钻石)的特点金刚
22、石(钻石)的特点 材质坚硬、耐强酸强碱腐蚀、耐磨及抗辐射,是一种极佳的热导体,其散热效果比硅还要强10多倍。n金刚石(钻石)在微系统中的应用金刚石(钻石)在微系统中的应用 金刚石主要用来制备具有相对运动的活动接触零部件。以及采用化学气相淀积工艺,在微结构的活动接触表面上形成一层金刚石涂层的方法,以增强耐磨性和耐环境的化学侵蚀。 金刚石材料的应用背景n硅及其化合物材料,如单晶硅、多晶硅、二氧化硅及氮化硅,因为它们具有很好的机械性能和工艺性能在微机电系统中被经常使用,但是在某些场合,如旋转电机、微齿轮及接触探头等具有相对运动的活动接触部件,采用硅及其化合物材料,容易磨损。在此情况下,选用摩擦系数小
23、、耐磨性能好的材料,对于改进活动微结构的性能就非常重要。其中金刚石就是一种优选材料。纳米相材料简介n 纳米材料,包括纳米金属、纳米半导体、纳米陶瓷及其他纳米固体材料,与常规的金属、半导体、陶瓷及其他固体材料一样,都是由同样的原子组成的,只是这些原子排列成了纳米级的原于团,成为组成纳米材料的结构粒子或结构单元。 n常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米,大到几mm,包含几十亿个原子;而纳米材料中的基本颗粒的直径不到100 nm,包含的原子不到几万个。一个直径3nm的原子团,大约包含900个原子,几乎是书中个句点的百万分之一,相当于一条30多米长的帆船与地球的比例。n纳米材料中基本颗粒的微小尺寸效应
24、,致使材料中的结构颗粒或原子团大多数是不存在位错的,因而大大减少了材料内部的缺陷;因此,纳米材料对机械应力、光、电及磁的反应完全不同于由微米级或mm级结构颗粒组成的常规材料,在宏观上表现出异乎寻常的特性。例如,常规的陶瓷脆而易碎,变成纳米相形式后就有了塑性,发生较大形变也不会裂成许多碎片,且可进行切削加工。原因是,nm级晶粒之间不存在位错;相互之间滑动起来容易形变。又如,纳米相铜的强度比常规相铜的强度高出5倍。 纳米相材料的未来n纳米材料是当今世界范围的研究热点,但它的科学史迄今只有40余年,尚处在发展的初期。尽管纳米材料涉及的范围很宽,但目前报道较多的,集中在陶瓷材科和金属间化合物方面。随着
25、研究的深入,人们会找到更有效的方法,在原子级上控制物质的结构,更透彻地了解它们的特性,设计和制造出适应各种需要的纳米材料。纳米相材料在未来的材料技术中将发挥越来越重要的作用。也可以预见,未来的纳米金属材料、电子材料、光子材料及其它固体材料的开发和生产,对于制造高性能的微机电器件、光电器件、传感器件、制动器件、微机电系统以及微机光电系统,必将产生深远的影响。第三章 微机械制造技术 尺寸特征对制造加工的要求n微机电系统的整体尺寸一般在cmmm量级,单个元件尺寸则在几百微米以下,最小加工尺寸达微米至亚微米级,最高尺寸精度达nm级。特征尺寸如此微小的元器件,其制作不能采用传统的精密机械制造方法,而应采
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