微机电系统第二章设计基础幻灯片.ppt

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1、微机电系统第二章设计基础第1页，共45页，编辑于2022年，星期六第二章第二章MEMSMEMS设计基础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第2页，共45页，编辑于2022年，星期六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

2、分析假设一、硅晶体结构与微观力学分析假设1、硅的晶面/晶向硅的晶胞结构第3页，共45页，编辑于2022年，星期六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 密勒指数密勒指数密勒指数密勒指数晶面与晶向第4页，共45页，编辑于2022年，星期六各向异性表现：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111110100111110100原因：晶面原子密度原

3、因：晶面原子密度第5页，共45页，编辑于2022年，星期六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原理原理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

4、学分析假设分析前提分析前提理论假设理论假设第6页，共45页，编辑于2022年，星期六二、二、MEMS微尺度效应微尺度效应 尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些尺度的微尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些尺度的微尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些尺度的微尺度缩小到微米以下将会带来不同物理后果；有些尺度的微型化在物理学上是行不通的型化在物理学上是行不通的型化在物理学上是行不通的型化在物理学上是行不通的第7页，共45页，编辑于2022年，星期六动力学例动力学例动力学例动力学例：大象S/V=10-4/mm，蜻蜓S/V=10-1/mm1、几何结构学中的尺度效应影响到：动力学惯量

5、、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率，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慢的运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。动也要有大量的食物以产生足够的能量。第8页，共45页，编辑于2022年，星期六 微镜是光纤通信网络中微开关的必要零件，要求高微镜是光纤通信网络中微开关的必要零件，要求高微镜是光纤通信网络中微开关的必要零件，要求高微镜是光纤通信网络中微开关的必要零件，要求高速旋转，取决于角动量速旋转，取决于角动量速旋转

6、，取决于角动量速旋转，取决于角动量动力学例动力学例：微镜的响应速度微镜的响应速度微镜的截面惯性矩微镜的截面惯性矩微镜的截面惯性矩微镜的截面惯性矩如果尺寸各减少如果尺寸各减少如果尺寸各减少如果尺寸各减少1/21/21/21/2第9页，共45页，编辑于2022年，星期六微镜微镜Optical MEMSMicrooptoelectromechanical System (MOEMS)第10页，共45页，编辑于2022年，星期六微反射镜移动或转动第11页，共45页，编辑于2022年，星期六微镜MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st

7、 DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage第12页，共45页，编辑于2022年，星期六2、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第13页，共45页，编辑于2022年，星期六2、刚体动力学中的尺度效应 刚体的惯性力与它的质量和由于惯性作用使刚体起动或刚体的惯性力与它的质量和由于惯性作用使刚体起动或刚体的惯性力与它的质量和由于惯性作用使刚体起动或刚体的惯性力与它的质量和由于惯性作用使刚体起动或者停止时所需的加速度有关，对刚体部件进行微型化时，者停止时所需的加速度有关，对刚体部件进行微型化时，者停止

8、时所需的加速度有关，对刚体部件进行微型化时，者停止时所需的加速度有关，对刚体部件进行微型化时，必须考虑由于尺寸减小使得产生和传递运动所需要的功、必须考虑由于尺寸减小使得产生和传递运动所需要的功、必须考虑由于尺寸减小使得产生和传递运动所需要的功、必须考虑由于尺寸减小使得产生和传递运动所需要的功、力、压力和时间等物理量产生的变化。力、压力和时间等物理量产生的变化。力、压力和时间等物理量产生的变化。力、压力和时间等物理量产生的变化。(1)(1)(1)(1)动力学中的尺度动力学中的尺度动力学中的尺度动力学中的尺度 刚刚刚刚体体体体从从从从一一一一个个个个位位位位置置置置运运运运动动动动到到到到另另另另

9、一一一一个个个个位位位位置置置置，运运运运动动动动的的的的距距距距离离离离 ,L,L,L,L代表线性尺度，速度代表线性尺度，速度代表线性尺度，速度代表线性尺度，速度V=S/TV=S/TV=S/TV=S/T，因此，因此，因此，因此，当初速度为零时，力当初速度为零时，力当初速度为零时，力当初速度为零时，力F F F F为为为为:式中刚体的质量式中刚体的质量式中刚体的质量式中刚体的质量 (2)Trimmer(2)Trimmer(2)Trimmer(2)Trimmer力尺度向量力尺度向量力尺度向量力尺度向量 Trimmer1989Trimmer1989Trimmer1989Trimmer1989提出的

10、一个独特的代表力尺度的矩阵。提出的一个独特的代表力尺度的矩阵。提出的一个独特的代表力尺度的矩阵。提出的一个独特的代表力尺度的矩阵。第14页，共45页，编辑于2022年，星期六 这这这这个个个个矩矩矩矩阵阵阵阵与与与与描描描描述述述述系系系系统统统统运运运运动动动动尺尺尺尺度度度度的的的的加加加加速速速速度度度度a a a a、时时时时间间间间t t t t和和和和功功功功率密度等参数有关，这个矩阵称为力尺度向量率密度等参数有关，这个矩阵称为力尺度向量率密度等参数有关，这个矩阵称为力尺度向量率密度等参数有关，这个矩阵称为力尺度向量F F F F时间时间时间时间T T T T a=F/Ma=F/M

11、a=F/Ma=F/M第15页，共45页，编辑于2022年，星期六 功率密度为每单位体积功率密度为每单位体积功率密度为每单位体积功率密度为每单位体积V V V V0 0 0 0供应的功率供应的功率供应的功率供应的功率p p p p。能量在。能量在。能量在。能量在MEMSMEMSMEMSMEMS的设的设的设的设计中是一个很重要的参数，能量不足导致系统无法运动，计中是一个很重要的参数，能量不足导致系统无法运动，计中是一个很重要的参数，能量不足导致系统无法运动，计中是一个很重要的参数，能量不足导致系统无法运动，能量过大可使系统结构损坏，过大功率会增加运行成本，能量过大可使系统结构损坏，过大功率会增加运

12、行成本，能量过大可使系统结构损坏，过大功率会增加运行成本，能量过大可使系统结构损坏，过大功率会增加运行成本，同时也会缩短器件的工作寿命。刚体作功，同时也会缩短器件的工作寿命。刚体作功，同时也会缩短器件的工作寿命。刚体作功，同时也会缩短器件的工作寿命。刚体作功，W=FS W=FS W=FS W=FS ，功率，功率，功率，功率P=W/TP=W/TP=W/TP=W/T 功率密度功率密度功率密度功率密度则功率密度的尺度向量；则功率密度的尺度向量；则功率密度的尺度向量；则功率密度的尺度向量；功率密度功率密度功率密度功率密度第16页，共45页，编辑于2022年，星期六第17页，共45页，编辑于2022年，

13、星期六 以平板电容为例，如图以平板电容为例，如图以平板电容为例，如图以平板电容为例，如图2.262.262.262.26所示。平板中的电势能为所示。平板中的电势能为所示。平板中的电势能为所示。平板中的电势能为式中击穿电压式中击穿电压式中击穿电压式中击穿电压v v v v随随随随 两平行板两平行板两平行板两平行板的间隙变化，该变化如图的间隙变化，该变化如图的间隙变化，该变化如图的间隙变化，该变化如图2.272.272.272.27所示，称为所示，称为所示，称为所示，称为PaschenPaschenPaschenPaschen效应。效应。效应。效应。当当当当 时，随着间隙的增加，击时，随着间隙的增

14、加，击时，随着间隙的增加，击时，随着间隙的增加，击穿穿穿穿电电电电压压压压v v v v急急急急剧剧剧剧下下下下降降降降。然然然然而而而而当当当当 时时时时，电电电电压压压压的的的的变变变变化化化化改改改改变变变变方方方方向。进一步增加间隙，击穿电压继续线形增加。向。进一步增加间隙，击穿电压继续线形增加。向。进一步增加间隙，击穿电压继续线形增加。向。进一步增加间隙，击穿电压继续线形增加。图图图图2.262.262.262.26充电的平行板充电的平行板充电的平行板充电的平行板 3、静电力中的尺度效应第18页，共45页，编辑于2022年，星期六图2.27 Paschen效应 当 击穿电压随击穿电压

15、随击穿电压随击穿电压随d d d d的增加而增加，的增加而增加，的增加而增加，的增加而增加，V V V V随尺度变化为随尺度变化为随尺度变化为随尺度变化为 平板电容中静电势能的尺平板电容中静电势能的尺平板电容中静电势能的尺平板电容中静电势能的尺度为度为度为度为 上上上上式式式式尺尺尺尺度度度度说说说说明明明明如如如如果果果果W,LW,LW,LW,L和和和和d d d d同同同同时时时时减减减减小小小小10101010倍倍倍倍，电电电电动动动动势势势势将将将将减减减减小小小小1000100010001000倍倍倍倍。下下下下面面面面是是是是静电力的尺度规律；静电力的尺度规律；静电力的尺度规律；静

16、电力的尺度规律；垂直于平行板方向的静电力（沿垂直于平行板方向的静电力（沿垂直于平行板方向的静电力（沿垂直于平行板方向的静电力（沿d d d d方向）为方向）为方向）为方向）为第19页，共45页，编辑于2022年，星期六3 3 3 3个方向静电力与尺度个方向静电力与尺度个方向静电力与尺度个方向静电力与尺度 有关有关有关有关减小平板尺寸减小平板尺寸减小平板尺寸减小平板尺寸 静电力静电力静电力静电力沿宽边沿宽边沿宽边沿宽边W W W W的静电力的静电力的静电力的静电力4、电磁场中的尺度效应沿长边沿长边沿长边沿长边L L L L的静电力的静电力的静电力的静电力 第20页，共45页，编辑于2022年，星

17、期六 根据物理学中电磁场理论，处于磁感应强度根据物理学中电磁场理论，处于磁感应强度根据物理学中电磁场理论，处于磁感应强度根据物理学中电磁场理论，处于磁感应强度B B B B的磁场的磁场的磁场的磁场中的导体通入电流中的导体通入电流中的导体通入电流中的导体通入电流 i i i i时，导体内部或导电线圈所受电磁时，导体内部或导电线圈所受电磁时，导体内部或导电线圈所受电磁时，导体内部或导电线圈所受电磁力为力为力为力为F F F F，Q Q Q Q为导体单位面积的电荷，电动势是驱动电子通为导体单位面积的电荷，电动势是驱动电子通为导体单位面积的电荷，电动势是驱动电子通为导体单位面积的电荷，电动势是驱动电子

18、通过导体的力。驱动电荷的能量为过导体的力。驱动电荷的能量为过导体的力。驱动电荷的能量为过导体的力。驱动电荷的能量为 产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可得到这产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可得到这产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可得到这产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可得到这些力的表达式些力的表达式些力的表达式些力的表达式第21页，共45页，编辑于2022年，星期六 如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为 上式电流上式电流上式电流上式

19、电流i i i i与导体的横截面积有关，既与导体的横截面积有关，既与导体的横截面积有关，既与导体的横截面积有关，既 ,是无量纲的，因此电磁力的尺度为是无量纲的，因此电磁力的尺度为是无量纲的，因此电磁力的尺度为是无量纲的，因此电磁力的尺度为 由由由由上上上上式式式式可可可可知知知知，尺尺尺尺度度度度减减减减小小小小10101010倍倍倍倍，将将将将会会会会导导导导致致致致电电电电磁磁磁磁力力力力减减减减小小小小101010104 4 4 4，即即即即10000100001000010000倍倍倍倍，这这这这与与与与静静静静电电电电力力力力与与与与L L L L2 2 2 2成成成成比比比比例例例

20、例形形形形成成成成鲜鲜鲜鲜明明明明对对对对比比比比，电电电电磁磁磁磁力力力力在在在在尺尺尺尺度度度度方方方方面面面面不不不不利利利利的的的的减减减减小小小小是是是是静静静静电电电电力力力力的的的的100100100100倍倍倍倍。这这这这就就就就是是是是为为为为什什什什么么么么几几几几乎乎乎乎所所所所有有有有的的的的微微微微马马马马达达达达和和和和制制制制动动动动器器器器都都都都采采采采用用用用静静静静电电电电驱驱驱驱动动动动，而而而而宏宏宏宏观观观观的的的的马马马马达达达达和和和和制制制制动动动动器通常采用电磁驱动。另外一个原因是由于空间的容量问题。器通常采用电磁驱动。另外一个原因是由于空间

21、的容量问题。器通常采用电磁驱动。另外一个原因是由于空间的容量问题。器通常采用电磁驱动。另外一个原因是由于空间的容量问题。第22页，共45页，编辑于2022年，星期六 电电电电能能能能是是是是MEMSMEMSMEMSMEMS的的的的主主主主要要要要能能能能源源源源。电电电电主主主主要要要要应应应应用用用用在在在在微微微微系系系系统统统统的的的的静静静静电电电电、压压压压电电电电和和和和热热热热阻阻阻阻加加加加热热热热驱驱驱驱动动动动上上上上。涉涉涉涉及及及及到到到到电电电电的的的的尺尺尺尺度度度度规规规规律律律律可可可可以以以以从从从从电电电电阻阻阻阻、电阻功率损失、电场能等物理规律中得出。电阻

22、功率损失、电场能等物理规律中得出。电阻功率损失、电场能等物理规律中得出。电阻功率损失、电场能等物理规律中得出。电阻电阻电阻电阻电阻功率损失电阻功率损失电阻功率损失电阻功率损失 式中，式中，式中，式中，V V V V是所加电压是所加电压是所加电压是所加电压电场能电场能电场能电场能 5、电学中的尺度效应第23页，共45页，编辑于2022年，星期六 这些尺度规律证明对于器件的微型化是有用的。但是对这些尺度规律证明对于器件的微型化是有用的。但是对这些尺度规律证明对于器件的微型化是有用的。但是对这些尺度规律证明对于器件的微型化是有用的。但是对一个带有电源的系统，如静电驱动电路电源一个带有电源的系统，如静

23、电驱动电路电源一个带有电源的系统，如静电驱动电路电源一个带有电源的系统，如静电驱动电路电源功率损失与可用能量的比率为功率损失与可用能量的比率为功率损失与可用能量的比率为功率损失与可用能量的比率为 上式说明能量供给系统尺度减小时的不利，当电源上式说明能量供给系统尺度减小时的不利，当电源上式说明能量供给系统尺度减小时的不利，当电源上式说明能量供给系统尺度减小时的不利，当电源的尺度减小的尺度减小的尺度减小的尺度减小10101010倍（如电源用于导电的材料线性尺寸）倍（如电源用于导电的材料线性尺寸）倍（如电源用于导电的材料线性尺寸）倍（如电源用于导电的材料线性尺寸）会导致由于电阻率的增加而引起的会导致

24、由于电阻率的增加而引起的会导致由于电阻率的增加而引起的会导致由于电阻率的增加而引起的100100100100倍功率损失。倍功率损失。倍功率损失。倍功率损失。第24页，共45页，编辑于2022年，星期六 对微小体积流动，毛细现象是主要问题。毛细流动不对微小体积流动，毛细现象是主要问题。毛细流动不对微小体积流动，毛细现象是主要问题。毛细流动不对微小体积流动，毛细现象是主要问题。毛细流动不能随意按比例缩小能随意按比例缩小能随意按比例缩小能随意按比例缩小.6、流体力学中的尺度效应 对对对对于于于于微微微微尺尺尺尺度度度度，几几几几乎乎乎乎所所所所有有有有的的的的流流流流体体体体流流流流动动动动都都都都

25、是是是是层层层层流流流流，因因因因此此此此用用用用圆圆圆圆管管管管层层层层流流流流公公公公式式式式推推推推导导导导微微微微尺尺尺尺度度度度流流流流体体体体流流流流动动动动的的的的尺尺尺尺度度度度效效效效应应应应。流流流流体体体体流流流流经经经经长长长长度度度度为为为为l l l l，半半半半径径径径为为为为a a a a的的的的小小小小圆圆圆圆管管管管时时时时的的的的压压压压降降降降可可可可用用用用哈哈哈哈根根根根-泊泊泊泊肃肃肃肃叶定律算出。叶定律算出。叶定律算出。叶定律算出。流体的体积流速流体的体积流速流体的体积流速流体的体积流速式中式中式中式中:a:a:a:a为管的半径，为管的半径，为管

26、的半径，为管的半径，为管长为管长为管长为管长l l l l的压差的压差的压差的压差第25页，共45页，编辑于2022年，星期六 结论：当管的半径减小结论：当管的半径减小结论：当管的半径减小结论：当管的半径减小10101010倍时，单位长度的管压降将倍时，单位长度的管压降将倍时，单位长度的管压降将倍时，单位长度的管压降将提高提高提高提高1000100010001000倍。上述分析表明在微米和亚微米尺度下，由倍。上述分析表明在微米和亚微米尺度下，由倍。上述分析表明在微米和亚微米尺度下，由倍。上述分析表明在微米和亚微米尺度下，由于流体流动的尺度减小所引起的不利情况需要寻找新的于流体流动的尺度减小所引

27、起的不利情况需要寻找新的于流体流动的尺度减小所引起的不利情况需要寻找新的于流体流动的尺度减小所引起的不利情况需要寻找新的原理代替传统的容积驱动。这些新原理包括压电、电渗、原理代替传统的容积驱动。这些新原理包括压电、电渗、原理代替传统的容积驱动。这些新原理包括压电、电渗、原理代替传统的容积驱动。这些新原理包括压电、电渗、电湿润和电液力驱动。电湿润和电液力驱动。电湿润和电液力驱动。电湿润和电液力驱动。压力梯度为压力梯度为压力梯度为压力梯度为第26页，共45页，编辑于2022年，星期六 传热有三种形式：传导、对流、热辐射。传热有三种形式：传导、对流、热辐射。传热有三种形式：传导、对流、热辐射。传热有

28、三种形式：传导、对流、热辐射。大多微系统热传递采用导热和对流。大多微系统热传递采用导热和对流。大多微系统热传递采用导热和对流。大多微系统热传递采用导热和对流。7 7传热中的尺度效应传热中的尺度效应（1 1 1 1）传导中的尺度效应）传导中的尺度效应）传导中的尺度效应）传导中的尺度效应1 1 1 1）热通量的尺度）热通量的尺度）热通量的尺度）热通量的尺度 固体中的导热符合傅立叶定律，对于一维固体中的导热符合傅立叶定律，对于一维固体中的导热符合傅立叶定律，对于一维固体中的导热符合傅立叶定律，对于一维x x x x坐标方向的导热为坐标方向的导热为坐标方向的导热为坐标方向的导热为 第27页，共45页，

29、编辑于2022年，星期六式中式中式中式中q q q qx x x x是沿是沿是沿是沿x x x x方向的热通量；方向的热通量；方向的热通量；方向的热通量；k k k k是固体导热率：是固体导热率：是固体导热率：是固体导热率：T(x,y,z,t)T(x,y,z,t)T(x,y,z,t)T(x,y,z,t)为固体在直角坐标下，时间为为固体在直角坐标下，时间为为固体在直角坐标下，时间为为固体在直角坐标下，时间为t t t t时的温度场。时的温度场。时的温度场。时的温度场。一般固体的热流量形式为一般固体的热流量形式为一般固体的热流量形式为一般固体的热流量形式为对于介观和微观的导热对于介观和微观的导热对

30、于介观和微观的导热对于介观和微观的导热，其尺度规律为，其尺度规律为，其尺度规律为，其尺度规律为第28页，共45页，编辑于2022年，星期六 2 2 2 2）介观和微观固体热传导效应的尺度）介观和微观固体热传导效应的尺度）介观和微观固体热传导效应的尺度）介观和微观固体热传导效应的尺度 在在在在瞬瞬瞬瞬态态态态导导导导热热热热分分分分析析析析中中中中，经经经经常常常常使使使使用用用用无无无无量量量量纲纲纲纲的的的的傅傅傅傅立立立立叶叶叶叶数数数数决决决决定定定定时时时时间增量。它在数学上定义为间增量。它在数学上定义为间增量。它在数学上定义为间增量。它在数学上定义为 式中：为材料热扩散率；式中：为材

31、料热扩散率；式中：为材料热扩散率；式中：为材料热扩散率；t t t t为热流量通过特征长度为热流量通过特征长度为热流量通过特征长度为热流量通过特征长度l l l l的时间。的时间。的时间。的时间。从上式可知固体导热时间的尺度从上式可知固体导热时间的尺度从上式可知固体导热时间的尺度从上式可知固体导热时间的尺度式中的式中的式中的式中的F F F F0 0 0 0和和和和 为常数为常数为常数为常数第29页，共45页，编辑于2022年，星期六固体在亚微米尺度内热流量的尺度规律固体在亚微米尺度内热流量的尺度规律固体在亚微米尺度内热流量的尺度规律固体在亚微米尺度内热流量的尺度规律表示尺寸减小表示尺寸减小表

32、示尺寸减小表示尺寸减小10101010倍将导致热流量减小倍将导致热流量减小倍将导致热流量减小倍将导致热流量减小100100100100倍。倍。倍。倍。第30页，共45页，编辑于2022年，星期六（2 2 2 2）对流中的尺度效应）对流中的尺度效应）对流中的尺度效应）对流中的尺度效应 对流时，固体与流体界面处出现边界层，由牛顿冷却对流时，固体与流体界面处出现边界层，由牛顿冷却对流时，固体与流体界面处出现边界层，由牛顿冷却对流时，固体与流体界面处出现边界层，由牛顿冷却定律描述定律描述定律描述定律描述 式中式中式中式中Q Q Q Q为流体中两点间的热流总量，为流体中两点间的热流总量，为流体中两点间的

33、热流总量，为流体中两点间的热流总量，q q q q是相应是相应是相应是相应的热通量，的热通量，的热通量，的热通量，A A A A是热流的横截面积，是热流的横截面积，是热流的横截面积，是热流的横截面积，h h h h为传热系数，是两点为传热系数，是两点为传热系数，是两点为传热系数，是两点之间的温差。之间的温差。之间的温差。之间的温差。第31页，共45页，编辑于2022年，星期六三、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，还有良好的机械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。硅材料质量性能，如强度、硬度、热

34、导、热膨胀等。硅材料质量轻，密度是不锈钢的轻，密度是不锈钢的 1/3.5，而弯曲强度为不锈钢的，而弯曲强度为不锈钢的 3.5 倍，其热导性是不锈钢的倍，其热导性是不锈钢的 5 倍，而热膨胀系数却不倍，而热膨胀系数却不到不锈钢的到不锈钢的 1/7，能很好的和低膨胀能很好的和低膨胀 合金连接，并避合金连接，并避免产生热应力。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、几何尺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、随后处理中积累的应力情况。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设计得当的微活动结构,如微传感器如微传感

35、器,能达到极小的迟滞、能达到极小的迟滞、蠕变、高重复性和长期稳定性。蠕变、高重复性和长期稳定性。第32页，共45页，编辑于2022年，星期六除此之外，硅还对许多效应敏感，也是传感器的首选材料除此之外，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期困扰传感器之一，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领域的 3 个难题：个难题：迟滞、重复性和长期漂移。迟滞、重复性和长期漂移。所以目前结所以目前结构材料首选仍然是以硅为主。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，现在国内外出现问世，现在国内外出现了各种微

36、型传感器，包括压力、加速度、气体、湿度、生化了各种微型传感器，包括压力、加速度、气体、湿度、生化传感器等。除了微型传感器，还出现了微型执行器、微型机传感器等。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。器人、微型动力系统。1988 年美国加利福尼亚大学柏克年美国加利福尼亚大学柏克利首次制作出转子直径为利首次制作出转子直径为 60m 的静电微电机，而我国清的静电微电机，而我国清华大学华大学92 年研制的同步式静电微电机，在技术性能上已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第一台同类微电机的水平。远远超过美国第一台同类微电机的水平。第33页，共45页，编辑于2022

37、年，星期六2 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，其导电性可以通过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。多晶硅膜具有较宽的工作控制掺杂原子浓度来调节。多晶硅膜具有较宽的工作温度（温度（-60300）、可调电阻特性、可调的温度系数、）、可调电阻特性、可调的温度系数、较高的应变灵敏系数，易于实现自对准工艺的工艺特点，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制备中有着广泛的应用。在在大规模集成电路的制备中有着广泛的应用。在 MEMS中常用于做结构材料和牺牲层技术。代表性产中常

38、用于做结构材料和牺牲层技术。代表性产品是硅压力传感器。品是硅压力传感器。第34页，共45页，编辑于2022年，星期六3 多孔硅材料多孔硅是一种重要的微机械加工材料，具有很多重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性，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，它的介可以作为发光器件；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，利用这种性质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。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频无多孔硅还可用于做隔离

39、层。制成厚膜作为硅基射频无源器件与衬底之间的隔离层，其介电性能高于单晶硅，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。还能大大降低衬底损耗。第35页，共45页，编辑于2022年，星期六4 硅化物材料硅化物如硅化物如TiSi2,CoSi2,PtSi等在等在VLSI 中作为接触和互联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硅更低，大大减材料有广泛的应用，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，显著改善了器件的导电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。特性。硅化物的制备工艺与表面微机械制备技术兼容，但是硅化物的制备工艺与表

40、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的应力还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。有待于进一步的研究、解决。第36页，共45页，编辑于2022年，星期六5 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关注。由于有良好的机械性能和电性能而受到人们的关注。SiC 表现出高强度、大刚度、内部残余应力低，有较表现出高强度、大刚度、内部残余应力低，有较好耐高温和耐腐蚀性，能克服硅基材料不适合在恶劣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。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

41、温、高功率及高频电子器件，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。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、压力传感器。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上的目前已开发的高温温度传感器有刚玉基片上的 SiC 热热敏电阻和硅衬底上的敏电阻和硅衬底上的 SiC 热敏电阻两种。热敏电阻两种。第37页，共45页，编辑于2022年，星期六6 压电材料ZnO 和和 PZT 等压电材料对等压电材料对 MEMS 有极大的吸引力，因有极大的吸引力，因它有电和机械互相转换的性能，即加电到压电材料会它有电和机械互相转换的性能，即加电

42、到压电材料会使其变形，相反的加应力会使其产生电压。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，利用逆压电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）。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 压电薄膜压电薄膜的悬臂式麦克风和扬声器。它是用硅微加工的方法在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硅片上制成2000m2000m4.5m 的多层结构悬臂的多层结构悬臂膜片。膜片。第38页，共45页，编辑于2022年，星期六7 铁电材料其突出的力、热、电、光耦合性

43、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-硅微集成系统的硅微集成系统的发展导致了新型存储器的出现和发展。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）可能）可能会大大改善铁电膜的品质。会大大改善铁电膜的品质。第39页，共45页，编辑于2022年，星期六8 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

44、为驱动器和接受器，在主振动、精密定位、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。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，机电耦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，基于这些特性，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。国内对其研究才刚刚起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。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移驱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喷嘴动器，浙江大学研制的微

45、位移执行器应用于喷嘴-挡板挡板型气动伺服阀和直动型气动流量阀。型气动伺服阀和直动型气动流量阀。第40页，共45页，编辑于2022年，星期六9 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型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。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 螺旋弹簧式螺旋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疗检查。中国科技大学研制出了基于 SAM 导向的用于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。

46、人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机器人。第41页，共45页，编辑于2022年，星期六10 金刚石薄膜众所周知，金刚石具有高熔点、高热导率、高硬度，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，具有宽带隙绝缘性好、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，是蕴涵巨大潜力的新半导体特征，化学稳定性好，是蕴涵巨大潜力的新型功能材料。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中，金刚在高温、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。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

47、石薄膜作为 MEMS 中的一种新材料引起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电夹、金刚了人们极大的兴趣。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具。石薄膜探针，金刚石薄膜外科微型工具。第42页，共45页，编辑于2022年，星期六11 高分子材料聚酰亚胺（聚酰亚胺（PI）、光刻胶（、光刻胶（PR）、聚甲基丙稀酸甲酯、聚甲基丙稀酸甲酯（PMMA）等高分子材料在）等高分子材料在 MEMS 中都是举足轻重的中都是举足轻重的材料。不仅仅是重要的工艺材料，如作为材料。不仅仅是重要的工艺材料，如作为 X 光的掩模板，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

48、料。微电铸掩模材料及微塑铸材料，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材料，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，可用来做硅片的保护还具有很好耐腐蚀、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介电性能常用于做牺膜和钝化膜；而良好的绝缘性能和介电性能常用于做牺牲层和绝缘层。牲层和绝缘层。第43页，共45页，编辑于2022年，星期六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、硅化物材单晶硅材料、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、料、硅化

49、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、金刚石薄膜、磁致伸缩材料、形状记忆合金材料、金刚石薄膜、高分子材料高分子材料第44页，共45页，编辑于2022年，星期六思考题思考题 MEMSMEMSMEMSMEMS的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述的设计涉及那些学科？简述MEMSMEMSMEMSMEMS的设计方法及特点。的设计方法及特点。的设计方法及特点。的设计方法及特点。什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？什么是微观力学？其基本假设是什么？可以用作可以用作可以用作可以用作MEMSMEMSMEMSMEMS中的材料有哪些？中的材料有哪些？中的材料有哪些？中的材料有哪些？第45页，共45页，编辑于2022年，星期六