微机电系统技术基础 课件

第二章

微机电系统功能材料概述半导体硅及其化合物是制造大多数微机电系统的主要材料。同时，其他材料，如压电陶瓷、氧化锌、石英等电致伸缩材料、镍铁合金磁致伸缩材料、镍钛合金形状记忆材料以及具有某些特殊功能的聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料1/12/20231微机电系统技术微机电系统功能材料2.1硅材料2.1.1单晶硅一.硅材料有很多的优点：比铝轻，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳；一般条件下抗腐蚀性好，耐高温；现有的硅加工技术成熟，加工精度高，可以降低研制费用；可以将传感、致动部分和电路部分集成在一块芯片上。

1/12/20232微机电系统技术微机电系统功能材料二.硅晶体结构1/12/20233微机电系统技术1/12/20234微机电系统技术1/12/20235微机电系统技术1/12/20236微机电系统技术1/12/20237微机电系统技术1/12/20238微机电系统技术1/12/20239微机电系统技术1/12/202310微机电系统技术微机电系统功能材料2.1.2多晶硅多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物。晶界：晶粒与晶粒之间的部位叫晶界。晶界对多晶硅电特性的影响可以通过控制掺杂原子浓度来调节。用到的公式如下：

R(t)=R0exp[aR(t-t0)]R0—温度为200C时的电阻

t—实时温度aR—电阻温度系数，t0=200C1/12/202311微机电系统技术单晶硅和多晶硅的区别是:当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。1/12/202312微机电系统技术微机电系统功能材料多晶硅的优点：（1）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（2）在相同工作温度下，多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比，可更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定性实现。（3）多晶硅电阻膜的准确阻值，可以通过光刻获得（4）具有较宽的工作温度范围（-60—300oC）1/12/202313微机电系统技术微机电系统功能材料2.1.3硅-蓝宝石硅-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-蓝宝石晶片蓝宝石的特点：迟滞和蠕变小；化学稳定性好，耐腐蚀，抗辐射性强；机械强度高1/12/202314微机电系统技术微机电系统功能材料2.1.4化合物半导体材料硅是制作微电子器件和装置的主要材料。为了提高器件和系统的性能以及扩大应用范围，化合物半导体材料在某些专门技术方面起着重要作用。如：红外及紫外成像器和探测器。禁带能量宽度Eg和极限波长由下式决定：

=1.24/Eg1/12/202315微机电系统技术微机电系统功能材料2.1.5SiC薄膜材料SiC是另一种在特殊环境下使用的化合物半导体。SiC材料优良的特性：具有宽带隙、高击穿场强、高热导率、高电子饱和速度及优良的力学和化学性能。这些特性使SiC材料适合制造高温、高功率及高频率电子器件时选用，也适合制造高温半导体压力传感器时选用。1/12/202316微机电系统技术微机电系统功能材料2.2压电材料2.2.1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作用下将发生相互耦合。耦合关系如下：

dij

，D，E，ε，б分别代表压电系数、电位移、电场强度、应变及应力1/12/202317微机电系统技术微机电系统功能材料正压电效应：在机械应力作用下，将机械能转换为电能逆压电效应：在电压作用下，将电能转换为机械能。反映压电材料能量转换效率的系数叫做机电耦合系数，用k表示

K=(由正压电效应转化为电能/输入机械能）1/21/12/202318微机电系统技术微机电系统功能材料2.2.2石英晶体石英晶体的理想形状为六角锥体。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石英晶体作为压电材料，主要用于制造压电振子和换能器。1/12/202319微机电系统技术微机电系统功能材料2.2.3压电陶瓷陶瓷材料是以化学合成物质为原料，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、半导体陶瓷、导电陶瓷等压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的。1/12/202320微机电系统技术微机电系统功能材料压电陶瓷材料有很多种，最早的是钛酸钡，现在最常用的是锆钛酸铅（PZT）利用材料复合技术，也研制出不少类型的压电复合材料。如聚偏二氟乙烯混合材料:填充压电陶瓷借以增强压电效应，聚合物相则可以降低材料的密度和介质常数，增加材料的柔性1/12/202321微机电系统技术微机电系统功能材料2.2.4聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯简称PVDF是一种压电和热释电功能材料。聚偏二氟乙烯薄膜通常用单向拉伸或双向拉伸改善其机械特性和压电特性。聚偏二氟乙烯薄膜在温度作用下会产生热应力变化，导致电荷的电效应，即热释电效应。Ps和T分别代表极化强度和温度热释电常数1/12/202322微机电系统技术微机电系统功能材料聚偏二氟乙烯具有如下特点可制成柔软而结实的检测元件，附着在被测对象的弯曲或柔性表面上。化学稳定性高，且不会析出有毒物质，与血液有良好的兼容性。有和水及人体软组织相接近的低声学阻抗压电常数比石英高一个数量级加工性能好，易于大面积制造内阻大，固有频率高，具有优异的宽频带响应特性1/12/202323微机电系统技术微机电系统功能材料2.2.5ZnO压电薄膜ZnO是6mm点群对称的六角晶系纤锌矿晶体ZnO薄膜与各种非压电材料衬底有优异的结合性能。1/12/202324微机电系统技术微机电系统功能材料ZnO薄膜的用途（1）作为压电激振器和检测器（2）压电换能器（3）声表面波谐振器和声表面波滤波器缺点：薄膜在生长过程中内部会存在残余应力，其会影响器件使用的稳定性。1/12/202325微机电系统技术微机电系统功能材料2.3磁致伸缩材料某些铁磁性合金，包括晶态和非晶态，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，并成规则排列而磁化。与此同时，体内结构产生应变，伸缩一般很小，l/l很小。正磁致伸缩效应：由磁产生应变负磁致伸缩效应：在应力作应下，磁感应强度发生改变。磁致伸缩材料有多种，经常选用的是纯镍和含68%镍的铁镍合金。1/12/202326微机电系统技术微机电系统功能材料2.4形状记忆合金形状记忆合金SMA(ShapeMemoryAlloy)是一种有记忆功能的金属材料，它在较低温度下，它会改变形状，当温度升高到原来的温度时，它又会恢复原来的形状。形状记忆特性的本质是，材料的热弹性通过马氏体相变，将热能转换为机械能。热弹性相变与温度、应力及应变有关。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%。形状记忆合金的电阻率较大，故常采用电流加热方式。在形状记忆合金材料中，镍钛合金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。1/12/202327微机电系统技术微机电系