MEMS原理-06讲述.ppt

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1、MEMS原理Kunming University of Science and Technology Kunming University of Science and Technology Kunming,ChinaKunming,ChinaOctober,2014October,2014索春光06MEMS MaterialsMEMS材料用于MEMS的材料 MEMSMEMS和微电子技术是不可分离的，许多微系统和微电子技术是不可分离的，许多微系统制造技术与微电子制造技术非常接近制造技术与微电子制造技术非常接近 但是，但是，微系统的设计和封装技术与微电子技术有微系统的设计和封装技术与微电子技术有

2、很大的不同很大的不同 许多微系统使用微电子材料（如硅和砷化镓）许多微系统使用微电子材料（如硅和砷化镓）但是，但是，MEMSMEMS可使用许多其他的材料，如石英和可使用许多其他的材料，如石英和硼硅酸玻璃、聚合物和塑料、陶瓷等，这些材料却硼硅酸玻璃、聚合物和塑料、陶瓷等，这些材料却很少用于微电子产品。很少用于微电子产品。用于MEMS的材料 1.1 1.1 衬底和晶片衬底和晶片 1.2 1.2 活性衬底材料活性衬底材料 1.3 1.3 作为衬底材料的硅（作为衬底材料的硅（SiSi）1.4 1.4 硅化合物硅化合物 1.5 1.5 硅压电电阻硅压电电阻 1.6 1.6 砷化镓砷化镓 1.7 1.7 石

3、英石英 1.8 1.8 压电晶体压电晶体 1.9 1.9 聚合物聚合物 1.10 1.10 封装材料封装材料1.1 衬底和晶片微电子和微电子和MEMS中频繁使用的中频繁使用的“衬底衬底”指在其上进行微制造工艺的平坦的宏观物体。指在其上进行微制造工艺的平坦的宏观物体。MEMS中，中，“衬底衬底”的使用有其他的目的：的使用有其他的目的：除了支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器之外，除了支撑将机械动作转换为电输出或者反之的转换器之外，还作为信号转换器。还作为信号转换器。半导体中，衬底是从所谓的大片晶片（半导体中，衬底是从所谓的大片晶片（Wafer）上切下来的）上切下来的单晶片。晶片可以是硅或其

4、他单晶材料，如石英或砷化镓。单晶片。晶片可以是硅或其他单晶材料，如石英或砷化镓。1.1 衬底和晶片材料 近似电阻率 r/Wcm 分类银（Ag）10-6 导体铜（Cu）10-58铝（Al）10-55铂（Pt）10-5锗（Ge）10-3101.5 半导体硅（Si）10-3104.5砷化镓（GaAs）10-3108 磷化镓（GaP）10-2106.5氧 109 绝缘体玻璃 1010.5镍（Ni）（纯态）1013金刚石 1014石英(熔融)1018典型绝缘体、半导体和导体的电阻率典型绝缘体、半导体和导体的电阻率1.2 活性衬底材料活性衬底材料主要用于微系统中的传感器和执行器，活性衬底材料主要用于微系统

5、中的传感器和执行器，或其他或其他MEMS器件。器件。应用于应用于MEMS器件的典型活性衬底材料包括硅、砷化镓、器件的典型活性衬底材料包括硅、砷化镓、锗和石英。锗和石英。这些衬底材料基本上都是具有四面体原子键的立方晶格。这些衬底材料基本上都是具有四面体原子键的立方晶格。选择依据：因为它们具有空间稳定性，对于环境条件相对选择依据：因为它们具有空间稳定性，对于环境条件相对不是很敏感。空间稳定性是高精度传感器和执行器的一个不是很敏感。空间稳定性是高精度传感器和执行器的一个重要要求。重要要求。1.3 作为衬底材料的硅（1）用于MEMS的理想衬底单晶硅是用于单晶硅是用于MEMS最广泛的衬底材料，主要因为：

6、最广泛的衬底材料，主要因为：1.1.硅的力学性能稳定，可被集成到相同衬底的电子器件上。硅的力学性能稳定，可被集成到相同衬底的电子器件上。2.2.硅几乎是一个理想的结构材料。硅几乎是一个理想的结构材料。3.3.硅的熔点为硅的熔点为14001400，约为铝的两倍。高熔点可使硅即使在，约为铝的两倍。高熔点可使硅即使在高温下也能保持尺寸的稳定。高温下也能保持尺寸的稳定。4.4.硅的热膨胀系数比钢小硅的热膨胀系数比钢小8 8倍，比铝小倍，比铝小1010倍。倍。5.5.硅在事实上没有机械迟滞，是传感器和执行器理想材料。硅在事实上没有机械迟滞，是传感器和执行器理想材料。6.6.硅衬底的处理和制作工艺已经比较

7、成熟。硅衬底的处理和制作工艺已经比较成熟。1.3 作为衬底材料的硅（1）Silicon wafer fabrication硅作为衬底材料，必须使用单晶纯硅。生产纯单晶硅最常用的方法是直拉法，Czochralski（CZ）法。如图所示，种晶放在拉伸机的尖端，使其与熔化的硅接触以形成更大的晶体。拉伸机随着熔在种晶上硅的不断沉积缓慢向上拉。随着拉伸机的上拉，沉积的熔融硅凝缩，形成了几英尺长的单晶硅芯棒。1.3 作为衬底材料的硅（1）Silicon wafer fabrication1.3 作为衬底材料的硅（1）Silicon wafer fabrication1.3 Silicon wafer fa

8、brication（1）slicing and polishing1.3 作为衬底材料的硅（2）晶体结构bb=0.543nm 晶格常数硅晶体的立体结构示意图硅晶体的立体结构示意图AB两个面心立方晶体的结合体两个面心立方晶体的结合体1.3 作为衬底材料的硅（2）晶体结构例题例题1.求纯硅每立方厘米的原子数。求纯硅每立方厘米的原子数。解：由于晶格常数b=0.543nm=0.543x10-9m，且每个立方晶胞中有18个原子，则在一立方厘米内的原子数为：1.3 作为衬底材料的硅（3）密勒指数直角坐标系中点P的方程为：上式可表示为另一种形式:用指定与平面（hkm）垂直的方向。表示为平面的密勒指数。1.3

9、 作为衬底材料的硅（3）密勒指数Miller Indices of a plane is determined by -Take the intercepts of the plane along the crystallographic axes eg.2,1,3 -The reciprocal of the three integers are taken and are multiplied by the smallest common denominator eg.1/2,1/1,1/3(multiple by 6)(3,6,2)-If a plane is parallel to a

10、n axis,its intercept is at infinity and its Miller index is zero -Important plans in Si lattice -1,0,0:(1,0,0),(01,0),(0,0,1),(1,0,0),(0,1,0),.-1,1,0 -1,1,11.3 作为衬底材料的硅（3）密勒指数硅片中主平面和副平面 800以下，硅基本上是无塑性和蠕变的弹性材料，以下，硅基本上是无塑性和蠕变的弹性材料，在所有的环境中几乎不存在疲劳失效。这些独特的性质使其成为在所有的环境中几乎不存在疲劳失效。这些独特的性质使其成为MEMS中理中理想的传感和执行

11、材料。想的传感和执行材料。硅是脆性材料。因此在设计承受冲击载荷的微系统时，需要考虑硅的这种硅是脆性材料。因此在设计承受冲击载荷的微系统时，需要考虑硅的这种不理想的脆性断裂行为。不理想的脆性断裂行为。硅的各向异性。由于需要引入与方向相关的力学性能，对硅结构的精确的硅的各向异性。由于需要引入与方向相关的力学性能，对硅结构的精确的应力分析变得很复杂。应力分析变得很复杂。下表给出硅晶体在不同方向上的杨氏模量和剪切模量下表给出硅晶体在不同方向上的杨氏模量和剪切模量密勒指数的取向 杨氏模量 E/GPa 剪切模量 G/GPa 129.5 79.0 168.0 61.7 186.5 57.51.3 作为衬底材

12、料的硅（4）硅的力学性能硅的力学性能MEMS材料的力学和热物理性能材料的力学和热物理性能材料ss（109N/m2）E1011N/m2r（g/cm3）cJ/(g)kW/(cm)a(10-6/)TMSi7.001.902.300.701.572.331400SiC21.007.003.200.673.503.302300Si3N414.003.853.100.690.190.801930SiO28.400.732.271.000.0140.501700铝0.170.702.700.9422.3625660不锈钢2.102.007.900.470.32917.301500铜0.070.118.900

13、.3863.9316.561080砷化镓2.700.755.300.350.506.861238锗1.035.320.310.605.80937石英0.50.70.760.972.660.821.200.0670.127.1017101.3 作为衬底材料的硅（4）硅的力学性能硅的力学性能例题例题2.材料的热扩散率是热量流入材料快慢的量度。材料的热扩散率是热量流入材料快慢的量度。列出硅、二氧化硅、铝和铜的热扩散率，并分析结果。列出硅、二氧化硅、铝和铜的热扩散率，并分析结果。解：热扩散率是材料的几个特性的函数，如下公式所示：材料 k/r/c/热扩散率 a/J/(scem)(g/m3)J/(g)(m

14、2/s)Si 157 2.3x106 0.7 97.52x106 SiO2 1.4 2.27x106 1.0 0.62x106铝 236 2.7x106 0.94 93x106铜 393 8.9x106 0.386 114.4x106 用于MEMS材料的热扩散率1.3 作为衬底材料的硅（4）硅的力学性能硅的力学性能1.4 硅化合物（1）二氧化硅（SiO2）二氧化硅在二氧化硅在MEMSMEMS中主要有三个应用：中主要有三个应用：1.1.作为热和电的绝缘体。作为热和电的绝缘体。2.2.作为硅衬底刻蚀的掩模。作为硅衬底刻蚀的掩模。3.3.作为表面微加工的牺牲层。作为表面微加工的牺牲层。干法氧化：湿法

15、氧化：1.4 硅化合物（2）碳化硅（SiC）碳化硅在碳化硅在MEMSMEMS中的基本应用是利用其中的基本应用是利用其在高温下尺寸和化学性质的稳定性。在高温下尺寸和化学性质的稳定性。采用铝掩模的干法腐蚀可以很容易实现采用铝掩模的干法腐蚀可以很容易实现碳化硅薄膜的图形化。碳化硅薄膜的图形化。碳化硅膜的生产可采用各种沉积技术。碳化硅膜的生产可采用各种沉积技术。1.4 硅化合物（3）氮化硅（Si3N4）氮化硅具有很多吸引氮化硅具有很多吸引MEMSMEMS的突出特性：的突出特性：1.1.有效阻挡水和离子（如钠离子）的扩散。有效阻挡水和离子（如钠离子）的扩散。2.2.超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层

16、刻蚀的掩模。超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩模。3.3.可用作光波导以及防止水和其他有毒流体进入衬底的密封可用作光波导以及防止水和其他有毒流体进入衬底的密封材料。材料。4.4.用作高强度电子绝缘层和离子注入掩模。用作高强度电子绝缘层和离子注入掩模。利用含硅气体和氨气反应生产：利用含硅气体和氨气反应生产：1.4 硅化合物（4）多晶硅（多晶硅（PolysiliconPolysilicon）硅衬底氧化层无序的多晶硅小颗粒沉积到硅衬底的多晶硅 低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）常用于在硅衬底上沉积多晶硅）常用于在硅衬底上沉积多晶硅 多晶硅广泛用于多晶硅广泛用于IC

17、IC工业的电阻、晶体管的门、薄膜晶体管等工业的电阻、晶体管的门、薄膜晶体管等 多晶硅重掺杂后电阻率显著降低，作为导体和控制开关多晶硅重掺杂后电阻率显著降低，作为导体和控制开关 用于微电阻和简易欧姆接触的理想材料用于微电阻和简易欧姆接触的理想材料 具有随机的尺寸和取向的单晶硅的集合，可看作各向同性材料具有随机的尺寸和取向的单晶硅的集合，可看作各向同性材料1.5 硅压电电阻压电电阻效应定义：固体在受到应力场作用时其电阻发生变化的现象。具有这一特性的硅压电电阻被广泛的应用于微传感器和微执行器中。p型硅和n型硅都具有优良的压电电阻效应。（1954年 Charles Smith就发现了p型和n型硅的压电

18、电阻）硅晶体的各向异性使电阻的变化与应力场之间的关系变得更为复杂。它们的关系可用下式表示：（1.5-1）代表与应力分量相对应的一个无限小的立方压电电阻晶体单元的电阻变化在应力张量s的六个独立应力分量中，三个是正应力分量（sxx、syy和szz），三个是切应力分量（sxy、sxz和syz）1.5 硅压电电阻式（1.5-1）中的张量p为压电系数矩阵，其形式如下：（1.5-2）1.5 硅压电电阻表（1.5-1）室温下取向的硅的电阻率和压阻系数材料电阻率Wcmp11p12p44p型硅7.8+6.6-1.1+138.1n型硅11.7-102.2+53.4-13.6从表可知，对于p型硅，最大压阻系数为p4

19、4=+138.1x10-11Pa-1，对于n型硅为p11=-102.2x10-11Pa-1。因此，许多硅压电电阻是由硼作掺杂物的p型材料组成。1.5 硅压电电阻如前图所示的硅应变计中，pL表示沿纵向即方向的压阻系数，pT表示沿切向即方向的压阻系数。硅压电电阻计的电阻变化可通过下式表示：式中DR和R分别表示为硅压电电阻的电阻变化和初始电阻。sL和sT表示纵向和切向的应力分量。引线引线xySi硅应变计1.6 砷化镓砷化镓和硅在微加工中的比较。特性GaAsSi光电子很好不好压电效应有无压电系数（pN/）2.60热导率相对低相对高成本高低与其他衬底键合难相对容易断裂脆，易碎脆，结实操作温度高低最佳工作

20、温度（）460300物理稳定性一般很好硬度（GPa）710断裂强度（GPa）2.761.7 石英性质平行Z的值垂直Z的值温度依赖性热导率cal/(cms)/29x10-316x10-3随温度减少相对介电常数4.64.5随温度减少密度(kg/m3)2.66 x 1032.66 x 103热膨胀系数(10-6/)7.113.2随温度增加电阻率(Wcm)0.1 x 101520 x 1015随温度减少断裂强度(GPa)1.71.7随温度减少硬度(GPa)1212石英的一些性质1.8 压电晶体 压电晶体是压电晶体是MEMSMEMS最常用的非半导体之一。最常用的非半导体之一。Jacqueshe Pier

21、re CurieJacqueshe Pierre Curie在在18801880年就发现了压电效应。年就发现了压电效应。当某些电介质（往往指绝缘体）晶体在外应力作用下，其表面当某些电介质（往往指绝缘体）晶体在外应力作用下，其表面上会产生电荷积累，这一现象叫做正压电效应；上会产生电荷积累，这一现象叫做正压电效应；反之，反之，在电场在电场作用下，晶体中产生应变（或应力）的现象称作反压电效应作用下，晶体中产生应变（或应力）的现象称作反压电效应，我们把具有压电效应的晶体称为压电晶体。我们把具有压电效应的晶体称为压电晶体。合成晶体：罗舍耳盐，钛酸钡和锆钛酸钡（合成晶体：罗舍耳盐，钛酸钡和锆钛酸钡（PZT

22、PZT）等。）等。自然晶体包括石英、电气石和硅酸酒石酸盐。自然晶体包括石英、电气石和硅酸酒石酸盐。具有压电效应的晶体，其结构不存在对称中心。具有压电效应的晶体，其结构不存在对称中心。应用：执行器和压力传感器即加速度计中的动态信号转换器。应用：执行器和压力传感器即加速度计中的动态信号转换器。1.8 压电晶体V机械力产生的电压电压产生的机械变形产生的机械变形机械力外加电压压电晶体的机械能和电能的转换1.8 压电晶体机械能到电能的转换效率可通过机电转换系数K衡量，其定义如下：下面简化的机电效应的数学关系可用于单向承载情况下压电换能器的设计：应力产生的电场：V=f s（1.8-2）其中，V是产生的电场

23、（V/m）；s是所加应力（Pa帕斯卡），系数f为常数电场产生的机械应变：e=d V (1.8-3)其中，e 是产生的应变；V是所加电场（V/m）；d是晶体的压电系数。（1.8-1）压电晶体系数d（10-12m/V）机电转换系数K石英（晶体SiO2）2.30.1钛酸钡（BaTiO3）1001900.49锆钛酸铅PZT4800.72PbZrTiO6250PbNb2O680罗舍耳盐3500.78聚便氟乙烯PVDF181.8 压电晶体一些材料的压电系数例题：例题：求采用PZT压电晶体驱动喷墨打印头喷出一滴液滴所需的电压。液滴的分辨率为每英寸300点（dpi）。假定液滴的厚度为1mm，假定液滴的形状为球

24、形，且墨水池在喷射后总被重新充满。打印头的形状和尺寸如图所示。1.8 压电晶体Calculate the output voltage when pull a drop of ink fromink jet heads using PZT materials.The ink drop resolution power is 300dpi.Suppose the thickness of the ink layer is 1mm,the ink drop is in ball shape,the ink tank will be full at any time,the parameter d

25、of PZT is 4810-12 m/V.F=2000 mmVD1mm纸张纸上的墨点墨水滴：球的直径 d喷嘴直径 d墨水池墨水池10mm压电致动器聚四氟乙烯薄膜1.8 压电晶体解题思路解题思路先求应变 e先求压电变形 W代入D值即可逆推出V值解：解：1.9 聚合物（1）作为工业材料的聚合物作为工业材料的聚合物重量轻；工艺简单；原材料和生产聚合物工艺的成本低；耐腐蚀性高；结构的韧性高；形状稳定性高。传统上，聚合物主要用于电子器件中的绝缘体、夹衬、电容薄膜和集成电路中的冲模垫。塑料是聚合物的特殊形式，已广泛用于机器和器件的零件。下面是对聚合物用于工业材料的优点的总结：1.9 聚合物（2）用于用于

26、MEMSMEMS的聚合物的聚合物 1.光阻聚合物被用于生产掩模，通过光刻在衬底上产生所要的图形。2.同样的光阻聚合物在LIGA工艺中被用于制作具有MEMS器件几何形状的初模，以制造微器件部件。这些初模的表面用镍等金属覆盖以用于大批量微部件的后续注塑成型。3.导电聚合物可用于MEMS的有机衬底。4.铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于微器件中的执行源，如微泵。5.Langmuir-Blodgett(LB)膜可用于制造多层微结构。6.具有独特性质的聚合物可用作毛细管的涂层物质，以加强微流体中的电渗作用。7.聚合物膜可用作微器件的电绝缘体和微电容器中的介电物质。8.聚合物广泛用于屏蔽微系统中的电

27、磁干扰和射频干扰。9.聚合物是用于微传感器密封和微系统封装的理想材料。1.9 聚合物（3）导电聚合物导电聚合物 对于某些在微电子和MEMS中应用的聚合物，必须是导电的并且具有优良的空间稳定性。聚合物本来是电的不良导体，可通过下面三种方法变得导电：1.热解 基于邻苯二甲腈的焦化聚合物可通过加入胺并加热到600以上变得导电。2.掺杂 通过加入原本导电的聚合物结构进行掺杂，如在聚合物主干中加入过渡金属原子，可导致聚合物导电。聚合物的掺杂与掺杂物和聚合物本身有关。3.加入导电纤维 在热固性和热塑性聚合物结构中加入导电填充物，可使聚合物导电。填充物包括碳。铝粉、不锈钢、金和银纤维，其他的填充材料包括半导

28、体纤维，例如硅和锗。纤维的长度为纳米量级。1.9 聚合物（4）Langmuir-Blodgett(LB)Langmuir-Blodgett(LB)膜膜 LB薄膜是良好的铁磁、热和压电性质的候选材料，应用举例：1.铁电聚合物薄膜 应用最多是聚便氟乙烯（PVDF）。这一类型薄膜的应用包括空气和水中的声换能器、触觉传感器，生物医学应用包括组织相容植入、心肺传感器，用于修补和康复器件的可植入换能器和传感器。2.光特性可控的涂层材料 它们被广泛用于能以不同波长传输激光的宽带光纤中。3.微传感器 许多导电聚合物材料对气体和其他环境条件的敏感使其可应用于微传感器。它可用于探测某些特殊物质的原理是聚合物表面对

29、特定样品具有可逆和特定的吸收，而且由此产生的聚合物的电导率的变化是可测量的。1.9 聚合物（4）Langmuir-Blodgett(LB)Langmuir-Blodgett(LB)膜膜Vp型硅基底塑料密封材料绝缘体气体样品导电聚合体使用聚合物的微传感器1.10 封装材料 MEMS技术是从集成电路工业发展起来的。因此，许多发明的用于IC封装的技术现在也用于MEMS的封装。然而这两种类型的封装的主要区别是：1.在微电子封装中，封装能够保护IC芯片和相互连接不受外界环境影响就足够了；2.而对于MEMS封装，不仅要保护传感和执行单元，而且要求与相互作用的介质相接触，许多这些介质对单元是有害的。3.一些

30、为封装精密航天器部件而开发的特定技术也常被用于微系统的封装。4.用于MEMS封装的材料包括用于IC封装的材料芯片级的贵金属线、用做导线的金属层、用于铆/约束基底附件的焊料等，MEMS封装材料还包括金属和陶瓷。Thank You人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。