1、MEMS材料及应用讲稿一、 MEMS对材料的要求在微机电系统中所用的材料在微机电系统的加工制造中起着举足轻重的作用，因为它能把各种功能互相联合在一起。一方面，在微机电系统中，材料具有传统的几何成形的作用，另一方面，材料的特性对于微机电系统的特性又起着决定性的作用。因此，用于制造微结构的材料既要保证微机械性能要求，又必须满足微加工方法所需条件。因此，微机电系统对材料有一下几点要求：1.传统机械常用的材料是经过熔炼、压延、切削加工等成形过程，而微机械构件大多采用气相、液相或固相等不同的制造过程。因此，它们的物理胜能与整体材料不同，而且材料性能随构件结构和制造工艺参数变化很大。如腐蚀性能，在刻蚀时牺
2、牲层的腐蚀速率应大于上下两层结构层等微机械所用材料应根据构件的功能和制造方法来选择。例如，用于微致动器材料有:水晶、氧化锡. pZ7，等电致伸缩材料，钦镍合金形状记忆材料等。用作微构件的材料。若采用半导体微细加工时，可采用单晶硅、多晶硅、氧化硅等硅材料，陶瓷和聚酷亚胺等非金属材料，以及铝、钨、铬、金等金属材料，对于LIGA加工方法，主要采用镍、铜、金等金属材料和塑料。2.当构件的几何尺寸缩小到一定范围时将出现尺寸效应，即材料性能和构件的力学行为将发生很大的变化。尺寸效应的影响反映在许多方面，构件尺寸减小使材料内部缺陷减少，因而材料的机构强度显著增加。微构件的弹性模量、抗拉强度、断裂韧性、疲劳强
3、度以及残余应力等均与大构件不同，而且有些表征材料性能的物理量需要重新定义。尺寸效应对于微构件的受力情况也有很大影响。凡与尺寸高次方成比例的力，如惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与尺寸低次方成比例的粘性力、表面张力、静电力、摩擦力等的作用显著增加。由于表面积与体积之比相对增加，因而热传导和化学反应速度也相应增加。二、 硅材料及应用1. 单晶硅硅材料除了具有良好的半导体性能,还有良好的机械性能,如强度、硬度、热导、热膨胀等。硅材料质量轻,密度是不锈钢的1 /3 .5 ,而弯曲强度为不锈钢的3. 5倍,其热导性是不锈钢 的5倍,而热膨胀系数却不到不锈钢的1 / 7。 单晶硅具有优良的机械、物理性质
4、，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。硅材料的质量轻，密度为不锈钢的1l3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强度密度比和高的刚度密度比。大部分微机械传感器都是用硅制作的，这不仅是因为硅具有极优越的机械性能和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级的微元件和微结构，并且可达到极高的加工精度。2. 多晶硅单晶是指整个晶体内原子都是周期性的规则排列，而多晶是指在晶体内各个局部区域里原子是周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同。因此多晶体也看作是由许多取向不同的小单晶体组成的。多晶硅薄膜具有与单晶硅相近的
5、敏感特性、机械特性，它在微机械加工技术中多用于作为中间加工层材料。它在工艺上可与单晶硅工艺相容，又能进行精细加工。而且还可以根据器件的需要随时准备充当绝缘体、导体和半导体。应用举例：硅压力传感器 硅微加速度计三、 陶瓷材料及应用微机电系统所用的陶瓷材料与一般陶瓷不同，它是以化学合成的物质为原料，控制其中的组分比，经过精密的成型烧结，制成适合微系统需要的多种精密陶瓷材料，通常称为功能陶瓷材料。功能陶瓷具有耐热性、耐腐蚀性、多孔性、光电性、介电性和压电性等许多独特的性能。陶瓷材料在微机电系统技术中的应用主要有以下三个方面:(1)作为基板材料;(2)作为微致动器的材料;(3)作为微传感器的材料;微致
6、动器和微传感器所用的陶瓷材料是压电陶瓷材料。压电陶瓷材料是一种电致伸缩材料，同时兼有正压电效应和逆压电效应。若对其施加作用力，则在它确定的两个表面上产生等量异号电荷。反之，当对它施加外电压时，便会产生机械变形。利用压电陶瓷的压电效应，压电陶瓷在微机电系统中可用于制作微致动器和微传感器，并且这类致动器和传感器比其他类型的致动器和传感器具有更为优良的频率特性和可集成性。四、 金属材料及应用1磁致伸缩金属磁致伸缩金属是一种同时兼有正逆磁机械藕合特性的功能材料。当受到外加磁场作用时，便会产生弹性变形;若对其施加作用力，则其形成的磁场将会发生相应的变化。磁致伸缩材料在微机电系统中常被用作微传感器和微致动
7、器材料。2形状记忆合金形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能，即将已在高温下定型的形状记忆合金，放置在低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度(相变温度)时，合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。在此恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力，或者二者兼备。合金的这种升温后变形消失，形状复原的现象称为形状记忆效应。五、 智能材料及应用智能材料是指能感知环境条件并做出相应“反应”的材料，其行为与生命体的智能反应有些类似，1989年日本的高木俊宜提出了这一概念。日常生活中常见的变色镜片就是用智能材料制成的，它可以根据太阳光线的强弱做出反应，表现出明暗的变
8、化。智能材料的发展前景非常广阔。一方面，其构想来源于仿生学，科学家们的目标就是想研制具有类似于生物各种功能的“活”的材料，因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本要素。另一方面，一种材料的功能较单一，难以满足要求，为了解决这个问题，科学家研究采用2种或2种以上的材料复合来构成一个智能材料系统，因而对智能材料的研究涵盖了关于材料系统的设计、制造、加工、性能和结构特征，这些均涉及到了材料学最前沿的领域，对智能材料的研究代表了材料科学最活跃的方面和最先进的发展方向。智能材料是21世纪一次划时代和深刻的材料革命，其独特的仿生物智能功能，在国民经济的各个领域中已展现出优越性能和广阔的应用前景，与此同时，智能材料发展成为了一门新兴的多学科交叉的综合科学。
