MEMS所使用的功能材料

MEMS講義(2)：MEMS所使用的功能材料MEMS所使用的功能材料大大拓寬了MEMS研究領(lǐng)域，提高和改善了MEMS器件和系統(tǒng)的性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)特殊器件或者功能性器件做出了重大貢獻(xiàn)。一：SOI材料SOI（Silicon—on—Insulator）是一類較新的材料和結(jié)構(gòu),SOISOI,具有部分絕緣和部分導(dǎo)電的特性。一般采用鍵合方式來(lái)形成SOISOI”SOI材SOS,FIPOS，ZMR，SI2MOX等.SOI材料主要用于低壓、低功耗超大規(guī)模集成電路和抗輻照、耐高溫的特種集成電路。SOI的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是制備微電子機(jī)械器件,相比傳統(tǒng)的體硅壓力傳感器,用SOI材料制備壓阻式SOI傳感器具有耐高溫的特點(diǎn)。采用SOI著若干問(wèn)題有待解決，如自加熱效應(yīng)、翹曲效應(yīng)、寄生雙極晶體管效應(yīng)及浮體效應(yīng)等。二:壓電材料（PZT)壓電材料在外界振動(dòng)激勵(lì)作用生形變，引起材料內(nèi)部應(yīng)力的變化，其內(nèi)部電荷發(fā)生位移,在它的,,這中轉(zhuǎn)換模式稱為執(zhí)行器模式。壓電材料的選擇對(duì)MEMS器件比如能量采集器的性能有著其能量轉(zhuǎn)換效果取決于所采用材料的機(jī)電耦合系數(shù)dxxε力電耦合的強(qiáng)弱。通常機(jī)電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)越高，壓電材料能量轉(zhuǎn)換的效率越高.介電常數(shù)約高的壓電材料越容易存儲(chǔ)電荷,并且有助于降低材料器件的內(nèi)阻，減少器件工作時(shí)的內(nèi)部能耗。用于微加工的壓電材料分為三個(gè)基本類型：壓電薄膜,例如鋯鈦酸鉛（PZT）,氧化鋅和氮化鋁;壓電晶體,例如石英，鈮酸鋰和砷化鎵；壓電聚合薄膜，例如聚偏二氟乙烯。（超）磁致伸縮材料磁致伸縮是由于材料內(nèi)部磁化狀態(tài)的改變而引起的長(zhǎng)度變化，反過(guò)來(lái)，如果鐵磁材料受這是磁致伸縮的逆效應(yīng),通常稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象有三種表現(xiàn)形）沿著外磁場(chǎng)方向尺寸大小的相對(duì)變化，稱為縱向磁致伸縮（）垂直于外磁場(chǎng)方向尺寸大小的相對(duì)變化,）材料體積大小的相對(duì)變化，稱為體積磁致伸縮縱向或橫向磁致伸縮又統(tǒng)稱為線性磁致伸縮。磁致伸縮合金材料易脆,用現(xiàn)有的加工手段很難得到微小結(jié)構(gòu)的材料，加之材料的強(qiáng)渦流損耗等特點(diǎn)，使微型馬達(dá)等MEMS執(zhí)行器的研制陷入困境。隨著薄膜制備技術(shù)及其它先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)超磁致伸縮材料研究領(lǐng)域出現(xiàn)了新的進(jìn)展，采用物理沉積法在非磁性基片上濺射鍍膜,可制備出性能更加優(yōu)越，應(yīng)用前景更加廣泛的超磁致伸縮薄膜材料。與壓電材料(PZT）及傳統(tǒng)的磁致伸縮材料Ni、Co等相比，超磁致伸縮材料具有獨(dú)特:室溫下的磁致伸縮應(yīng)變值很大門是鎳的40—50倍，是壓電陶瓷的8（0倍是壓電陶瓷的4;機(jī)磁電）響應(yīng)速度快（ps級(jí)220~88ON。超磁致伸縮.薄膜的成功制備為超磁致伸縮微型馬達(dá)等MEMS執(zhí)行器的研究提供了新的應(yīng)用材料。隨著負(fù)磁致伸縮合金材料SmFe的發(fā)現(xiàn)及成功制備，可以在基片兩表面分別濺TbFe,為成功研制大輸出力或扭矩的超磁致伸縮薄膜微型馬達(dá)提供了條件。四:鐵電材料鐵電材料具有很大的介電常數(shù)和壓電系數(shù)，鐵電薄膜具有優(yōu)越的電極化特性、熱釋電效鐵電材料是具有特殊極性方向的晶體，由于沒(méi)有對(duì)稱中心，所以它具有壓電效應(yīng).鐵電材料具有這種熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化使晶體產(chǎn)生電極化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，它的自等器件。鐵電材料有以下幾種Y1系列鐵電體。鐵電薄膜制備方法有:脈沖激光沉積、磁控濺射法、金屬有機(jī)物熱分解（MoD)法、溶膠-(sol-gel）法等。五：形狀記憶合金材料（SMA）(溫度場(chǎng)或電場(chǎng);薄膜表面積與體積的比值極高;電阻率適于用焦耳熱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器；電加熱時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)電壓極低。這些優(yōu)越的性能大大開(kāi)拓了形狀記憶合金在MEMS領(lǐng)域中的應(yīng)用,如微流體控制（流量控制、微泵、微閥、微執(zhí)行系統(tǒng)（微鉗、微臂繼電器、連接器、透鏡定位器。SMATiNi和(,但TiNiCu。其中，Cu基合金因多晶時(shí)脆性較大而應(yīng)用較少,而TiNi基合金因其具有做功密度高、可恢復(fù)應(yīng)變大、變形回復(fù)應(yīng)力大、驅(qū)動(dòng)電壓低和生物相容性好等優(yōu)越性能,研究應(yīng)用最為廣泛成熟。六：巨磁阻抗材料巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)是指通有交流電流的軟磁材料在外磁場(chǎng)的作用下阻抗發(fā)生顯著GMIGMI扭矩傳感器。三明治薄膜和復(fù)合結(jié)構(gòu)絲的巨磁阻抗效應(yīng)相對(duì)于單質(zhì)材料表現(xiàn)出兩個(gè)明顯的特點(diǎn)，一是巨,在鐵磁層和導(dǎo),則其效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。七:金剛石MEMS器件對(duì)材料的要求有別于半導(dǎo)體器件，硅基材料的缺點(diǎn)隨著應(yīng)用范圍擴(kuò)展而日益顯示，比如硅基材料的抗磨、折彎、韌性差,還特別容易發(fā)生結(jié)構(gòu)粘附