微机电系统第二章MEMS设计基础ppt课件.ppt

Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)杨大勇第二章MEMS设计基础内容提要硅晶体结构与微观力学硅晶体结构与微观力学微尺度效应微尺度效应MEMS中的材料应用及进展中的材料应用及进展MEMS设计的基本问题设计的基本问题MEMS设计的具体方法设计的具体方法金刚石立方形式金刚石立方形式= =面心立方结构面心立方结构+ +沿对角线错位沿对角线错位1/41/4晶格常数晶格常数a=5.43a=5.43每一个硅原子和与之紧邻的四个硅原子组成一个正四面体结构每一个硅原子和与之紧邻的四个硅原子组成一个正四面体结构一、硅晶体结构与微观力学分析假设一、硅晶体结构与微观力学分析假设1、硅的晶面/晶向 硅的晶胞结构晶面晶面与与晶面族晶面族（ ），三点性质。一般简称晶面），三点性质。一般简称晶面不平行的晶面族不平行的晶面族 晶向晶向 晶面与晶向 各向异性表现：表现：材料性质（强度等）材料性质（强度等）加工速率（腐蚀、扩散、注入等）加工速率（腐蚀、扩散、注入等）硅单晶原子密度（硅单晶原子密度（111111） （110110） （100100）扩散速度、腐蚀速度扩散速度、腐蚀速度 111111 110110 100100 原因：晶面原子密度原因：晶面原子密度q材料性质材料性质无缺陷晶体无缺陷晶体q材料变形材料变形原子偏离晶格节点原平衡位置原子偏离晶格节点原平衡位置q几何模型几何模型 所有格点用位置矩阵表达所有格点用位置矩阵表达 空间节点铰接桁架结构模型空间节点铰接桁架结构模型q晶格点上的作用力晶格点上的作用力 惯性力（外力）惯性力（外力）+ +原子间作用力原子间作用力 （内力）（内力）q边界条件边界条件 接触面固定，则该面上所有的位移为零接触面固定，则该面上所有的位移为零 晶体内晶面之间的关系晶体内晶面之间的关系将晶格视为空间珩架进行有限元分析将晶格视为空间珩架进行有限元分析2、微观力学分析假设二、二、MEMS微尺度效应微尺度效应：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm1SlV1、几何结构学中的尺度效应影响到：动力学惯量、流体表面力、热惯量与热传递影响到：动力学惯量、流体表面力、热惯量与热传递不同的不同的面体比面体比说明蜻蜓飞行时要求很少的能量和功说明蜻蜓飞行时要求很少的能量和功率，对事物和水的消耗很低；而大象即使进行很缓率，对事物和水的消耗很低；而大象即使进行很缓慢的运动也要有大量的食物以产生足够的能量。慢的运动也要有大量的食物以产生足够的能量。2112yyImc311132 1232yyyyIbc tI3112yyIbc t： Optical MEMS微反射镜移动或转动微镜MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage2、刚体动力学中的尺度效应3、静电力中的尺度效应4、电磁场中的尺度效应5、电学中的尺度效应6、流体力学中的尺度效应1( )( )Vl T3222( )( )( )SMFMal lTt3Ml2、刚体动力学中的尺度效应sl 12F34F=l llll122131333041 FFllllalllllllll11.5211113122220.51.502ll2 T( ) l = llFFlSMll llllFll0p/v 00pFSVTV2.511.5410.533202 ( ) FFFllpllllVll llll22122orWLUCVVd 5dm10dm3、静电力中的尺度效应图2.27 Paschen效应 10dm当 3Vl0 0 1 11 23( )l l l l lUll20212rdWLVUFdd 2012rLVFwd 2012rLWVFd 2l11011004、电磁场中的尺度效应U= dU= edQUxF常量iUxF常量212LixF2ilUx224)( )(llFl1( )AR=ll21( )VPlR0( ) l221( )2UEl5、电学中的尺度效应3( )aVEl123( )( )(1)aVPllE6、流体力学中的尺度效应48apQLp28aveVpxa( , , , )xT x y ztqkxTQqAkAx 02tFl220( )FtLl112( )( )Ql ll三、三、 MEMS中的材料应用及进展中的材料应用及进展 1 单晶硅 硅材料除了具有良好的半导体性能，还有良好的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，密度是不锈钢的材料质量轻，密度是不锈钢的 1/3.5，而弯曲强度，而弯曲强度为不锈钢的为不锈钢的 3.5 倍，其热导性是不锈钢的倍，其热导性是不锈钢的 5 倍，倍，而热膨胀系数却不到不锈钢的而热膨胀系数却不到不锈钢的 1/7， 能很好的和能很好的和低膨胀低膨胀 合金连接，并避免产生热应力。合金连接，并避免产生热应力。 实际的机械性能取决于制成器件后硅的结晶取向、实际的机械性能取决于制成器件后硅的结晶取向、几何尺寸、缺陷以及在生长、抛光、随后处理中几何尺寸、缺陷以及在生长、抛光、随后处理中积累的应力情况。设计得当的微活动结构积累的应力情况。设计得当的微活动结构,如微传如微传感器感器,能达到极小的迟滞、能达到极小的迟滞、 蠕变、高重复性和长期蠕变、高重复性和长期稳定性。稳定性。 除此之外，硅还对许多效应敏感，也是传感器的首除此之外，硅还对许多效应敏感，也是传感器的首选材料之一，采用硅材料制作传感器有利于解决长选材料之一，采用硅材料制作传感器有利于解决长期困扰传感器领域的期困扰传感器领域的 3 个难题：个难题：迟滞、重复性和长迟滞、重复性和长期漂移。期漂移。所以目前结构材料首选仍然是以硅为主。所以目前结构材料首选仍然是以硅为主。 1962 年第一个年第一个硅微型压力传感器硅微型压力传感器问世，现在国内外问世，现在国内外出现了各种微型传感器，包括压力、加速度、气体、出现了各种微型传感器，包括压力、加速度、气体、湿度、生化传感器等。除了微型传感器，还出现了湿度、生化传感器等。除了微型传感器，还出现了微型执行器、微型机器人、微型动力系统。微型执行器、微型机器人、微型动力系统。1988 年年美国加利福尼亚大学柏克利首次制作出转子直径为美国加利福尼亚大学柏克利首次制作出转子直径为 60m 的静电微电机，而我国清华大学的静电微电机，而我国清华大学92 年研制的年研制的同步式静电微电机，在技术性能上已远远超过美国同步式静电微电机，在技术性能上已远远超过美国第一台同类微电机的水平。第一台同类微电机的水平。2 多晶硅材料 多晶硅是许多硅单晶的无序排列。多晶硅是许多硅单晶的无序排列。 多晶硅薄膜具有特有的导电特性，其导电性可以多晶硅薄膜具有特有的导电特性，其导电性可以通过控制掺杂原子浓度来调节。多晶硅膜具有较通过控制掺杂原子浓度来调节。多晶硅膜具有较宽的工作温度（宽的工作温度（-60300）、可调电阻特性、）、可调电阻特性、可调的温度系数、较高的应变灵敏系数，易于实可调的温度系数、较高的应变灵敏系数，易于实现自对准工艺的工艺特点，在大规模集成电路的现自对准工艺的工艺特点，在大规模集成电路的制备中有着广泛的应用。在制备中有着广泛的应用。在 MEMS中常用于做结中常用于做结构材料和牺牲层技术。代表性产品是硅压力传感构材料和牺牲层技术。代表性产品是硅压力传感器。器。3 多孔硅材料 多孔硅是一种重要的微机械加工材料，具有很多多孔硅是一种重要的微机械加工材料，具有很多重要的性质：多孔硅具有荧光现象和电致发光特重要的性质：多孔硅具有荧光现象和电致发光特性，可以作为发光器件；由于其结构上的多孔，性，可以作为发光器件；由于其结构上的多孔，它的介电常数会随进入孔内的气体而改变，利用它的介电常数会随进入孔内的气体而改变，利用这种性质可以制造气敏、湿敏传感器。这种性质可以制造气敏、湿敏传感器。 多孔硅还可用于做隔离层。制成厚膜作为硅基射多孔硅还可用于做隔离层。制成厚膜作为硅基射频无源器件与衬底之间的隔离层，其介电性能高频无源器件与衬底之间的隔离层，其介电性能高于单晶硅，还能大大降低衬底损耗。于单晶硅，还能大大降低衬底损耗。4 硅化物材料 硅化物如硅化物如TiSi2,CoSi2, PtSi等在等在VLSI 中作为接触中作为接触和互联材料有广泛的应用，它们的电阻率比多晶和互联材料有广泛的应用，它们的电阻率比多晶硅更低，大大减少了期间的互联电阻和接触电阻，硅更低，大大减少了期间的互联电阻和接触电阻，显著改善了器件的导电特性。显著改善了器件的导电特性。 硅化物的制备工艺与表面微机械制备技术兼容，硅化物的制备工艺与表面微机械制备技术兼容，但是硅化物有较大的应力。至于如何减少硅化物但是硅化物有较大的应力。至于如何减少硅化物的应力还有待于进一步的研究、解决。的应力还有待于进一步的研究、解决。5 硅化物高温半导体材料 SiC由于有良好的机械性能和电性能而受到人们的由于有良好的机械性能和电性能而受到人们的关注。关注。SiC 表现出高强度、大刚度、内部残余应表现出高强度、大刚度、内部残余应力低，有较好耐高温和耐腐蚀性，能克服硅基材力低，有较好耐高温和耐腐蚀性，能克服硅基材料不适合在恶劣的环境下工作的缺点。料不适合在恶劣的环境下工作的缺点。 这些特性使这些特性使 SiC 适合制造高温、高功率及高频电适合制造高温、高功率及高频电子器件，高温半导体压力传感器。子器件，高温半导体压力传感器。 目前已经开发出碳化硅高温温度、气体、压力传目前已经开发出碳化硅高温温度、气体、压力传感器。目前已开发的高温温度传感器有刚玉基片感器。目前已开发的高温温度传感器有刚玉基片上的上的 SiC 热敏电阻和硅衬底上的热敏电阻和硅衬底上的 SiC 热敏电阻两热敏电阻两种。种。6 压电材料 ZnO 和和 PZT 等压电材料对等压电材料对 MEMS 有极大的吸引有极大的吸引力，因它有电和机械互相转换的性能，即加电到压力，因它有电和机械互相转换的性能，即加电到压电材料会使其变形，相反的加应力会使其产生电压。电材料会使其变形，相反的加应力会使其产生电压。 利用其正压电效应可制成机械能的检测器，利用逆利用其正压电效应可制成机械能的检测器，利用逆压电效应可制成制动器（执行器）。压电效应可制成制动器（执行器）。 美国伯克利的研究人员成功地研制基于美国伯克利的研究人员成功地研制基于 ZnO 压电压电薄膜的悬臂式麦克风和扬声器。它是用硅微加工的薄膜的悬臂式麦克风和扬声器。它是用硅微加工的方法在硅片上制成方法在硅片上制成2000m2000m4.5m 的多的多层结构悬臂膜片。层结构悬臂膜片。7 铁电材料 其突出的力、热、电、光耦合性能可以广泛用于其突出的力、热、电、光耦合性能可以广泛用于MEMS系统。系统。 铁电材料广泛应用于存储技术，铁电铁电材料广泛应用于存储技术，铁电-硅微集成系硅微集成系统的发展导致了新型存储器的出现和发展。统的发展导致了新型存储器的出现和发展。 最近的研究表明：某些金属氧化物最近的研究表明：某些金属氧化物(如如 LaSrCoO3,SrRnO3)电极相对纯金属电极（电极相对纯金属电极（Pt）可）可能会大大改善铁电膜的品质。能会大大改善铁电膜的品质。8 磁致伸缩材料 磁致伸缩材料和压电材料一样是双向工作的。磁致伸缩材料和压电材料一样是双向工作的。 在在MEMS 中作为驱动器和接受器，在主振动、精密中作为驱动器和接受器，在主振动、精密定位、超声波发生器中均有应用。定位、超声波发生器中均有应用。 超磁致伸缩材料的伸缩系数大，能量密度高，机超磁致伸缩材料的伸缩系数大，能量密度高，机电耦合系数大，响应速度快、输出力大，基于这电耦合系数大，响应速度快、输出力大，基于这些特性，其在马达上的应用前景广泛。国内对其些特性，其在马达上的应用前景广泛。国内对其研究才刚刚起步，尚处于探索阶段。研究才刚刚起步，尚处于探索阶段。 大连理工大学研制的超磁致伸缩材料驱动的微位大连理工大学研制的超磁致伸缩材料驱动的微位移驱动器，浙江大学研制的微位移执行器应用于移驱动器，浙江大学研制的微位移执行器应用于喷嘴喷嘴-挡板型气动伺服阀和直动型气动流量阀。挡板型气动伺服阀和直动型气动流量阀。9 形状记忆合金材料 形状记忆合金材料是近几十年发展起来的一种新形状记忆合金材料是近几十年发展起来的一种新型的功能材料。型的功能材料。 应用此材料日本三菱公司研制了一种应用此材料日本三菱公司研制了一种 SAM 螺旋螺旋弹簧式主动内窥检查微型机器人，用于进入人体弹簧式主动内窥检查微型机器人，用于进入人体管道进行医疗检查。中国科技大学研制出了基于管道进行医疗检查。中国科技大学研制出了基于 SAM 导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机器人。蠕动式管道微型机器人。10 金刚石薄膜 众所周知，金刚石具有高熔点、高热导率、高硬众所周知，金刚石具有高熔点、高热导率、高硬度，绝缘性好、抗腐蚀性强，介电常数小，具有度，绝缘性好、抗腐蚀性强，介电常数小，具有宽带隙半导体特征，化学稳定性好，是蕴涵巨大宽带隙半导体特征，化学稳定性好，是蕴涵巨大潜力的新型功能材料。潜力的新型功能材料。 在高温、强电磁辐射和强化学腐蚀性的苛刻环境在高温、强电磁辐射和强化学腐蚀性的苛刻环境中，金刚石体现出一种理想材料的优越性能。中，金刚石体现出一种理想材料的优越性能。 近几年来金刚石薄膜作为近几年来金刚石薄膜作为 MEMS 中的一种新材中的一种新材料引起了人们极大的兴趣。已研制出金刚石微型料引起了人们极大的兴趣。已研制出金刚石微型电夹、金刚石薄膜探针，金刚石薄膜外科微型工电夹、金刚石薄膜探针，金刚石薄膜外科微型工具。具。11 高分子材料 聚酰亚胺（聚酰亚胺（PI） 、光刻胶（、光刻胶（PR） 、聚甲基丙稀、聚甲基丙稀酸甲酯（酸甲酯（PMMA）等高分子材料在）等高分子材料在 MEMS 中都中都是举足轻重的材料。不仅仅是重要的工艺材料，是举足轻重的材料。不仅仅是重要的工艺材料，如作为如作为 X 光的掩模板，微电铸掩模材料及微塑铸光的掩模板，微电铸掩模材料及微塑铸材料，还可作为结构材料。材料，还可作为结构材料。 例如聚酰亚胺，除了其耐辐射性能能用来做掩膜例如聚酰亚胺，除了其耐辐射性能能用来做掩膜材料，还具有很好耐腐蚀、耐高温性能，可用来材料，还具有很好耐腐蚀、耐高温性能，可用来做硅片的保护膜和钝化膜；而良好的绝缘性能和做硅片的保护膜和钝化膜；而良好的绝缘性能和介电性能常用于做牺牲层和绝缘层。介电性能常用于做牺牲层和绝缘层。MEMS中的材料应用及进展中的材料应用及进展 总结 单晶硅材料、多晶硅材料、多孔硅材料、硅化物单晶硅材料、多晶硅材料、多孔硅材料、硅化物材料、硅化物高温半导体材料、压电材料、铁电材料、硅化物高温半导体材料、压电材料、铁电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金材料、金刚材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金材料、金刚石薄膜、高分子材料石薄膜、高分子材料思考题思考题