微機(jī)電系統(tǒng)第二章MEMS設(shè)計基礎(chǔ)課件

Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微機(jī)電系統(tǒng)楊大勇Micro-Electro-Mechanical-Syste1第二章

MEMS設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容提要硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)微尺度效應(yīng)MEMS中的材料應(yīng)用及進(jìn)展MEMS設(shè)計的基本問題MEMS設(shè)計的具體方法第二章

MEMS設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容提要硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)2金剛石立方形式=面心立方結(jié)構(gòu)+沿對角線錯位1/4晶格常數(shù)a=5.43?每一個硅原子和與之緊鄰的四個硅原子組成一個正四面體結(jié)構(gòu)一、硅晶體結(jié)構(gòu)與微觀力學(xué)分析假設(shè)1、硅的晶面/晶向硅的晶胞結(jié)構(gòu)金剛石立方形式=面心立方結(jié)構(gòu)+沿對角線錯位1/4一、硅晶體結(jié)3晶面與晶面族——（），三點性質(zhì)。一般簡稱晶面不平行的晶面族——{}晶向——[]密勒指數(shù)晶面與晶向晶面與晶面族——（），三點性質(zhì)。一般簡稱晶面密勒指數(shù)晶面與4各向異性表現(xiàn)：——材料性質(zhì)（強(qiáng)度等）——加工速率（腐蝕、擴(kuò)散、注入等）硅單晶原子密度（111）>（110）>（100）擴(kuò)散速度、腐蝕速度[111]<[110]<[100]原因：晶面原子密度各向異性表現(xiàn)：硅單晶原子密度（111）>（110）>（1005材料性質(zhì)——無缺陷晶體材料變形——原子偏離晶格節(jié)點原平衡位置幾何模型——所有格點用位置矩陣表達(dá)

空間節(jié)點鉸接桁架結(jié)構(gòu)模型晶格點上的作用力——慣性力（外力）+原子間作用力（內(nèi)力）邊界條件

接觸面固定，則該面上所有的位移為零晶體內(nèi)晶面之間的關(guān)系原理——將晶格視為空間珩架進(jìn)行有限元分析2、微觀力學(xué)分析假設(shè)分析前提——理論假設(shè)材料性質(zhì)——無缺陷晶體原理——將晶格視為空間珩架進(jìn)行有限元分6二、MEMS微尺度效應(yīng)尺度縮小到微米以下將會帶來不同物理后果；有些尺度的微型化在物理學(xué)上是行不通的二、MEMS微尺度效應(yīng)尺度縮小到微米以下將會帶來不同物理7動力學(xué)例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm1、幾何結(jié)構(gòu)學(xué)中的尺度效應(yīng)影響到：動力學(xué)慣量、流體表面力、熱慣量與熱傳遞不同的面體比說明蜻蜓飛行時要求很少的能量和功率，對事物和水的消耗很低；而大象即使進(jìn)行很緩慢的運(yùn)動也要有大量的食物以產(chǎn)生足夠的能量。動力學(xué)例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/8微鏡是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中微開關(guān)的必要零件，要求高速旋轉(zhuǎn)，取決于角動量動力學(xué)例：微鏡的響應(yīng)速度微鏡的截面慣性矩如果尺寸各減少1/2微鏡是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中微開關(guān)的必要零件，要求高速旋轉(zhuǎn)，取決9微鏡OpticalMEMSMicrooptoelectromechanicalSystem(MOEMS)微鏡OpticalMEMS10微反射鏡移動或轉(zhuǎn)動微反射鏡移動或轉(zhuǎn)動11微鏡MirrorSupportStructureSubstrateHingesTorsionHinges1stDOF2ndDOFForce-redirectingLinkage微鏡MirrorSupportSubstrateTorsio122、剛體動力學(xué)中的尺度效應(yīng)3、靜電力中的尺度效應(yīng)4、電磁場中的尺度效應(yīng)5、電學(xué)中的尺度效應(yīng)6、流體力學(xué)中的尺度效應(yīng)…………2、剛體動力學(xué)中的尺度效應(yīng)132、剛體動力學(xué)中的尺度效應(yīng)剛體的慣性力與它的質(zhì)量和由于慣性作用使剛體起動或者停止時所需的加速度有關(guān)，對剛體部件進(jìn)行微型化時，必須考慮由于尺寸減小使得產(chǎn)生和傳遞運(yùn)動所需要的功、力、壓力和時間等物理量產(chǎn)生的變化。(1)動力學(xué)中的尺度剛體從一個位置運(yùn)動到另一個位置，運(yùn)動的距離,L代表線性尺度，速度V=S/T，因此，當(dāng)初速度為零時，力F為:式中剛體的質(zhì)量(2)Trimmer力尺度向量Trimmer[1989]提出的一個獨(dú)特的代表力尺度的矩陣。2、剛體動力學(xué)中的尺度效應(yīng)14這個矩陣與描述系統(tǒng)運(yùn)動尺度的加速度a、時間t和功率密度等參數(shù)有關(guān)，這個矩陣稱為力尺度向量F時間Ta=F/M這個矩陣與描述系統(tǒng)運(yùn)動尺度的加速度a、時間t和功率密度等15功率密度為每單位體積V0供應(yīng)的功率p。能量在MEMS的設(shè)計中是一個很重要的參數(shù)，能量不足導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)動，能量過大可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞，過大功率會增加運(yùn)行成本，同時也會縮短器件的工作壽命。剛體作功，W=FS，功率P=W/T功率密度則功率密度的尺度向量；功率密度功率密度為每單位體積V0供應(yīng)的功率p。能量在MEMS的設(shè)16微機(jī)電系統(tǒng)第二章MEMS設(shè)計基礎(chǔ)ppt課件17以平板電容為例，如圖2.26所示。平板中的電勢能為式中擊穿電壓v隨兩平行板的間隙變化，該變化如圖2.27所示，稱為Paschen效應(yīng)。當(dāng)時，隨著間隙的增加，擊穿電壓v急劇下降。然而當(dāng)時，電壓的變化改變方向。進(jìn)一步增加間隙，擊穿電壓繼續(xù)線形增加。圖2.26充電的平行板3、靜電力中的尺度效應(yīng)以平板電容為例，如圖2.26所示。平板中的電勢能為18圖2.27Paschen效應(yīng)

當(dāng)

擊穿電壓隨d的增加而增加，V隨尺度變化為平板電容中靜電勢能的尺度為上式尺度說明如果W,L和d同時減小10倍，電動勢將減小1000倍。下面是靜電力的尺度規(guī)律；垂直于平行板方向的靜電力（沿d方向）為圖2.27Paschen效應(yīng)當(dāng)擊穿電壓隨d的增加而193個方向靜電力與尺度有關(guān)減小平板尺寸靜電力沿寬邊W的靜電力4、電磁場中的尺度效應(yīng)沿長邊L的靜電力3個方向靜電力與尺度有關(guān)沿寬邊W的靜電力4、電磁場中的20根據(jù)物理學(xué)中電磁場理論，處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場中的導(dǎo)體通入電流i時，導(dǎo)體內(nèi)部或?qū)щ娋€圈所受電磁力為F，Q為導(dǎo)體單位面積的電荷，電動勢是驅(qū)動電子通過導(dǎo)體的力。驅(qū)動電荷的能量為產(chǎn)生的電磁力將會改變磁場中導(dǎo)體的相對位移，可得到這些力的表達(dá)式根據(jù)物理學(xué)中電磁場理論，處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場中的導(dǎo)體通21如果考慮恒定電流流動情況即產(chǎn)生的電磁力為上式電流i與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，既,是無量綱的，因此電磁力的尺度為由上式可知，尺度減小10倍，將會導(dǎo)致電磁力減小104，即10000倍，這與靜電力與L2成比例形成鮮明對比，電磁力在尺度方面不利的減小是靜電力的100倍。這就是為什么幾乎所有的微馬達(dá)和制動器都采用靜電驅(qū)動，而宏觀的馬達(dá)和制動器通常采用電磁驅(qū)動。另外一個原因是由于空間的容量問題。如果考慮恒定電流流動情況即產(chǎn)生的電磁力為22電能是MEMS的主要能源。電主要應(yīng)用在微系統(tǒng)的靜電、壓電和熱阻加熱驅(qū)動上。涉及到電的尺度規(guī)律可以從電阻、電阻功率損失、電場能等物理規(guī)律中得出。電阻電阻功率損失

式中，V是所加電壓電場能

5、電學(xué)中的尺度效應(yīng)電能是MEMS的主要能源。電主要應(yīng)用在微系統(tǒng)的靜電、壓電23這些尺度規(guī)律證明對于器件的微型化是有用的。但是對一個帶有電源的系統(tǒng)，如靜電驅(qū)動電路電源功率損失與可用能量的比率為上式說明能量供給系統(tǒng)尺度減小時的不利，當(dāng)電源的尺度減小10倍（如電源用于導(dǎo)電的材料線性尺寸）會導(dǎo)致由于電阻率的增加而引起的100倍功率損失。這些尺度規(guī)律證明對于器件的微型化是有用的。但是對一個帶有24對微小體積流動，毛細(xì)現(xiàn)象是主要問題。毛細(xì)流動不能隨意按比例縮小.6、流體力學(xué)中的尺度效應(yīng)對于微尺度，幾乎所有的流體流動都是層流，因此用圓管層流公式推導(dǎo)微尺度流體流動的尺度效應(yīng)。流體流經(jīng)長度為l，半徑為a的小圓管時的壓降可用哈根-泊肅葉定律算出。流體的體積流速式中:a為管的半徑，為管長l的壓差對微小體積流動，毛細(xì)現(xiàn)象是主要問題。毛細(xì)流動不能隨意按比25結(jié)論：當(dāng)管的半徑減小10倍時，單位長度的管壓降將提高1000倍。上述分析表明在微米和亞微米尺度下，由于流體流動的尺度減小所引起的不利情況需要尋找新的原理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的容積驅(qū)動。這些新原理包括壓電、電滲、電濕潤和電液力驅(qū)動。壓力梯度為結(jié)論：當(dāng)管的半徑減小10倍時，單位長度的管壓降將提高1026傳熱有三種形式：傳導(dǎo)、對流、熱輻射。大多微系統(tǒng)熱傳遞采用導(dǎo)熱和對流。7．傳熱中的尺度效應(yīng)（1）傳導(dǎo)中的尺度效應(yīng)1）熱通量的尺度固體中的導(dǎo)熱符合傅立葉定律，對于一維x坐標(biāo)方向的導(dǎo)熱為傳熱有三種形式：傳導(dǎo)、對流、熱輻射。7．傳熱中的尺度效應(yīng)27式中qx是沿x方向的熱通量；k是固體導(dǎo)熱率：T(x,y,z,t)為固體在直角坐標(biāo)下，時間為t時的溫度場。一般固體的熱流量形式為對于介觀和微觀的導(dǎo)熱，其尺度規(guī)律為式中qx是沿x方向的熱通量；k是固體導(dǎo)熱率：T(x,y,z,282）介觀和微觀固體熱傳導(dǎo)效應(yīng)的尺度在瞬態(tài)導(dǎo)熱分析中，經(jīng)常使用無量綱的傅立葉數(shù)決定時間增量。它在數(shù)學(xué)上定義為式中：為材料熱擴(kuò)散率；t為熱流量通過特征長度l的時間。從上式可知固體導(dǎo)熱時間的尺度式中的F0和為常數(shù)2）介觀和微觀固體熱傳導(dǎo)效應(yīng)的尺度式中：為材料熱擴(kuò)散率；29固體在亞微米尺度內(nèi)熱流量的尺度規(guī)律表示尺寸減小10倍將導(dǎo)致熱流量減小100倍。固體在亞微米尺度內(nèi)熱流量的尺度規(guī)律30（2）對流中的尺度效應(yīng)對流時，固體與流體界面處出現(xiàn)邊界層，由牛頓冷卻定律描述式中Q為流體中兩點間的熱流總量，q是相應(yīng)的熱通量，A是熱流的橫截面積，h為傳熱系數(shù)，是兩點之間的溫差。（2）對流中的尺度效應(yīng)對流時，固體與流體界面處出現(xiàn)邊界層31三、MEMS中的材料應(yīng)用及進(jìn)展1單晶硅硅材料除了具有良好的半導(dǎo)體性能，還有良好的機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、熱導(dǎo)、熱膨脹等。硅材料質(zhì)量輕，密度是不銹鋼的1/3.5，而彎曲強(qiáng)度為不銹鋼的3.5倍，其熱導(dǎo)性是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)卻不到不銹鋼的1/7，能很好的和低膨脹合金連接，并避免產(chǎn)生熱應(yīng)力。實際的機(jī)械性能取決于制成器件后硅的結(jié)晶取向、幾何尺寸、缺陷以及在生長、拋光、隨后處理中積累的應(yīng)力情況。設(shè)計得當(dāng)?shù)奈⒒顒咏Y(jié)構(gòu),如微傳感器,能達(dá)到極小的遲滯、蠕變、高重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。三、MEMS中的材料應(yīng)用及進(jìn)展1單晶硅32除此之外，硅還對許多效應(yīng)敏感，也是傳感器的首選材料之一，采用硅材料制作傳感器有利于解決長期困擾傳感器領(lǐng)域的3個難題：遲滯、重復(fù)性和長期漂移。所以目前結(jié)構(gòu)材料首選仍然是以硅為主。1962年第一個硅微型壓力傳感器問世，現(xiàn)在國內(nèi)外出現(xiàn)了各種微型傳感器，包括壓力、加速度、氣體、濕度、生化傳感器等。除了微型傳感器，還出現(xiàn)了微型執(zhí)行器、微型機(jī)器人、微型動力系統(tǒng)。1988年美國加利福尼亞大學(xué)柏克利首次制作出轉(zhuǎn)子直徑為60μm的靜電微電機(jī)，而我國清華大學(xué)92年研制的同步式靜電微電機(jī)，在技術(shù)性能上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國第一臺同類微電機(jī)的水平。除此之外，硅還對許多效應(yīng)敏感，也是傳感器的首選材料之一，采用332多晶硅材料多晶硅是許多硅單晶的無序排列。多晶硅薄膜具有特有的導(dǎo)電特性，其導(dǎo)電性可以通過控制摻雜原子濃度來調(diào)節(jié)。多晶硅膜具有較寬的工作溫度（-60～300℃）、可調(diào)電阻特性、可調(diào)的溫度系數(shù)、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)，易于實現(xiàn)自對準(zhǔn)工藝的工藝特點，在大規(guī)模集成電路的制備中有著廣泛的應(yīng)用。在MEMS中常用于做結(jié)構(gòu)材料和犧牲層技術(shù)。代表性產(chǎn)品是硅壓力傳感器。2多晶硅材料多晶硅是許多硅單晶的無序排列。343多孔硅材料多孔硅是一種重要的微機(jī)械加工材料，具有很多重要的性質(zhì)：多孔硅具有熒光現(xiàn)象和電致發(fā)光特性，可以作為發(fā)光器件；由于其結(jié)構(gòu)上的多孔，它的介電常數(shù)會隨進(jìn)入孔內(nèi)的氣體而改變，利用這種性質(zhì)可以制造氣敏、濕敏傳感器。多孔硅還可用于做隔離層。制成厚膜作為硅基射頻無源器件與襯底之間的隔離層，其介電性能高于單晶硅，還能大大降低襯底損耗。3多孔硅材料多孔硅是一種重要的微機(jī)械加工材料，具有很多重要354硅化物材料硅化物如TiSi2,CoSi2,PtSi等在VLSI中作為接觸和互聯(lián)材料有廣泛的應(yīng)用，它們的電阻率比多晶硅更低，大大減少了期間的互聯(lián)電阻和接觸電阻，顯著改善了器件的導(dǎo)電特性。硅化物的制備工藝與表面微機(jī)械制備技術(shù)兼容，但是硅化物有較大的應(yīng)力。至于如何減少硅化物的應(yīng)力還有待于進(jìn)一步的研究、解決。4硅化物材料硅化物如TiSi2,CoSi2,PtSi等365硅化物高溫半導(dǎo)體材料SiC由于有良好的機(jī)械性能和電性能而受到人們的關(guān)注。SiC表現(xiàn)出高強(qiáng)度、大剛度、內(nèi)部殘余應(yīng)力低，有較好耐高溫和耐腐蝕性，能克服硅基材料不適合在惡劣的環(huán)境下工作的缺點。這些特性使SiC適合制造高溫、高功率及高頻電子器件，高溫半導(dǎo)體壓力傳感器。目前已經(jīng)開發(fā)出碳化硅高溫溫度、氣體、壓力傳感器。目前已開發(fā)的高溫溫度傳感器有剛玉基片上的SiC熱敏電阻和硅襯底上的SiC熱敏電阻兩種。5硅化物高溫半導(dǎo)體材料SiC由于有良好的機(jī)械性能和電性能376壓電材料ZnO和PZT等壓電材料對MEMS有極大的吸引力，因它有電和機(jī)械互相轉(zhuǎn)換的性能，即加電到壓電材料會使其變形，相反的加應(yīng)力會使其產(chǎn)生電壓。利用其正壓電效應(yīng)可制成機(jī)械能的檢測器，利用逆壓電效應(yīng)可制成制動器（執(zhí)行器）。美國伯克利的研究人員成功地研制基于ZnO壓電薄膜的懸臂式麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器。它是用硅微加工的方法在硅片上制成2000μm×2000μm×4.5μm的多層結(jié)構(gòu)懸臂膜片。6壓電材料ZnO和PZT等壓電材料對MEMS有極387鐵電材料其突出的力、熱、電、光耦合性能可以廣泛用于MEMS系統(tǒng)。鐵電材料廣泛應(yīng)用于存儲技術(shù)，鐵電-硅微集成系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致了新型存儲器的出現(xiàn)和發(fā)展。最近的研究表明：某些金屬氧化物(如LaSrCoO3,SrRnO3)電極相對純金屬電極（Pt）可能會大大改善鐵電膜的品質(zhì)。7鐵電材料其突出的力、熱、電、光耦合性能可以廣泛用于MEM398磁致伸縮材料磁致伸縮材料和壓電材料一樣是雙向工作的。在MEMS中作為驅(qū)動器和接受器，在主振動、精密定位、超聲波發(fā)生器中均有應(yīng)用。超磁致伸縮材料的伸縮系數(shù)大，能量密度高，機(jī)電耦合系數(shù)大，響應(yīng)速度快、輸出力大，基于這些特性，其在馬達(dá)上的應(yīng)用前景廣泛。國內(nèi)對其研究才剛剛起步，尚處于探索階段。大連理工大學(xué)研制的超磁致伸縮材料驅(qū)動的微位移驅(qū)動器，浙江大學(xué)研制的微位移執(zhí)行器應(yīng)用于噴嘴-擋板型氣動伺服閥和直動型氣動流量閥。8磁致伸縮材料磁致伸縮材料和壓電材料一樣是雙向工作的。在409形狀記憶合金材料形狀記憶合金材料是近幾十年發(fā)展起來的一種新型的功能材料。應(yīng)用此材料日本三菱公司研制了一種SAM螺旋彈簧式主動內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人，用于進(jìn)入人體管道進(jìn)行醫(yī)療檢查。中國科技大學(xué)研制出了基于SAM導(dǎo)向的用于人體腸道檢查和腹腔手術(shù)的醫(yī)用