第二章微机电系统功能材料 第三章微机械制造技术

常用材料的电阻率
硅材料特性




1、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着 广泛的应用，主要是利用硅的机械特性和电学 特性。 2、特殊的晶体结构使其具有各项异性，通过掺 杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和 机械性能。 3、储量丰富，成本低；材质的内含杂质极少， 易于提纯，纯型硅的杂质含量可降至十亿分之 一，因而本身的内耗少，力学性能稳定。 4、硅材料质量轻，密度是不锈钢的 1／3.5。 5、弯曲强度高，为不锈钢的3.5倍。
硅材料的各向异性

（111）平面上相邻原子间的晶格距离最短， 使该平面的原子间的吸引力大于其它两个平 面。同时，该平面包含单位晶胞面心的四个 原子的三个，因此，该平面晶体生长最慢， 刻蚀等加工过程进行的也最慢。
单晶硅的生产

生产单晶硅盘或“硅片”的步骤如下：
原材料的准备和清理；高纯和多晶硅的生产； 单晶硅的生长；单晶硅的机械加工。
2、压电陶瓷

陶瓷材料是以化学合成物质为原材料，经过精 密的成型烧结而成。烧结前，严格控制合成物 质的组份比，便可以研制成适合多种用途的功 能陶瓷，如压电陶瓷（电致伸缩材料）、半导 体陶瓷、导体陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。

压电陶瓷是陶瓷经过电极化之后形成的，电极 化之后的压电陶瓷为各向异性的多晶体。

单晶硅的生长或“拉制”
常用方法：Czochralski(简称为CZ法)和悬浮 区法。
硅 CZ 法提纯原理
单晶硅的机械加工
硅的掺杂
N型硅和P型硅－半导体材料



P型硅是在纯硅材料中加入了硼（B）原子：由于B 原子外面带有3个正电荷，这样当两种原子结合到 一起形成共价键时，产生空穴。 N型硅是在纯硅材料中加入了砷（As）或磷（P） 原子：由于硅原子外面为带有4个正电荷，而As或 P原子外面带有5个正电荷，这样当两种原子结合 到一起形成共价键时，产生游离电子。 掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动 加剧，导电性能得到提高。掺杂浓度越高，电阻 率越低，越容易导电，

磁致伸缩换能器
为了获得由驱动器向接收器的最佳能量传递，磁致伸缩效应 器件通常设计在其谐振点上工作，因此，设计这类器件主要 考虑其振动特性。磁致伸缩换能器工作原理如图所示。

磁致伸缩材料的特点
具有较高的饱和磁致伸缩系数，即当磁化饱 和时，材料沿磁化方向的伸缩比 l / l 较 ～ 大，其值约为 (30 35) 10－6 微应变。
硅的晶体结构

对于硅的原子，硅的晶格几何结构并不均匀， 但是硅基本上是面心立方体晶胞。典型的面心 立方单位晶胞如图所示。

一个硅的单位晶胞有18个原子，其中8个原子 在角部，6个原子在面上，4个原子在内部。
硅晶胞的主平面

前平面（100）、对角面（110）、倾斜面（111）

三个主平面（晶面）上的硅原子
压电陶瓷的特点

用于致动器和传感器元件的压电陶瓷，具有价 廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快 等优点。此外，它对结构的动力学特性的影响 很小，并且通过分布排列可实现大规模的结构 驱动，因而具有较强的驱动能力和控制作用。
由于压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出 优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的 要求，用作压电驱动器是比较理想的。
压电材料

压电效应
压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极 化效应在机械应力或电场（电压）作用下将发 生相互耦合，也就是应力－应变－电压之间存 在内在联系。

正压电效应
在机械应力作用下，将机械能转换为电能。

逆压电效应
在电压作用下，将电能转换为机械能。
压电效应的机理分析


当压电材料在外力作用下产生变形时，会引起它内部 正负电荷的转移而产生电极化，使两个相对表面出现 符号相反的束缚电荷，外力消失，晶体又恢复不带电 的原始状态，产生正压电效应。 当对压电材料施加电场作用时，会引起材料内部正负 电荷中心的相对位移，导致材料变形，产生逆压电效 应。

硅原材料的制取
原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。
SiO2 ＋ 2C Si + 2CO
这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行， 可以得到纯度为98％的“冶金级硅”。

单晶硅的提纯
经过连续分馏、逆向反应及气化分离，可以 10 -9 :1， 得到固态的“电子级硅”，其纯度可达 它可以作为单晶硅生产的原料。
（所以利用硅－蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐
腐蚀及抗辐射等优越性能的传感器和电路）
SiC 薄膜材料



SiC是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原 子和硅原子组成，利用离子注入掺杂技术将碳原子注入 单晶硅内，便可以获得优质的立方晶体结构的SiC。 特点：具有优异的物理、化学及电学性能，高强度（是 单晶硅的3倍）、大刚度、内部的残余应力很低，较高 0 的压阻系数，熔点高（2300 C）。因此，SiC材料能在 高温下耐腐蚀、抗辐射，非常适合于高温、恶劣环境下 工作的微机电系统的选择使用。 由于SiC单晶材料成本高、硬度大及加工难度大，所以 以硅单晶片为衬底的SiC薄膜就成为研究和使用的理想 选择。与单晶SiC薄膜相比，多晶SiC的适用性更广。


常用的压电陶瓷
钛酸钡（BT）、锆钛酸铅（BZT）、改性锆钛 酸铅、偏铌酸铅（PN）、铌酸铅钡锂 （PBLN）、改性钛酸铅等。

压电陶瓷的极限应变小，目前还不能作 为结构材料。
磁致伸缩材料

某些铁磁性合金，在外磁场作用下，其体内自发磁化 形成的各个磁畴的磁化方向均转向外磁场的方向，并 成规则排列而磁化，使体内结构发生应变，伸缩量一 般很小，l / l 约为 10－5～10－6 数量级。这种由于磁而产 生应变的现象称为正磁致伸缩效应；反之，磁化的铁 磁体在应力作用下产生应变时，其磁畴的结构也将发 生变化，使材料体内磁通密度发生变化，形成逆磁致 伸缩效应。 磁致伸缩材料在磁场中的伸缩量很小，可以用在微机 电系统中作为驱动器（磁－机转换）和接收器（机－ 磁转换）等。
压电材料的特点及应用

压电材料可以大块使用也可以小块分散使用，利用 正压电效应感知外界的机械能，可以制作微传感器； 利用逆压电效应作为驱动力，可以制作压电微执行 器。
由于压电材料的的变形量十分微小，一般仅在几个 nm/v，单个压电元件的变形量约为总长度的0.1%～ 0.2％，这在需要精密定位的微操作器中很有意义。 压电材料作驱动器时，它的激励功率小，响应速度 较快，是形状记忆合金的一万倍。压电器件可做得 很薄，且组合灵活。
硅材料对温度的敏感性
多晶硅

多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒 的排列是无序的，不同晶粒有不同的单晶取向， 而每一晶粒内部有单晶的特征，因而在热分析 和结构分析时可看作各向同性材料。 晶粒与晶粒之间的部位叫晶界，晶界对其电特 性的影响可以通过控制掺杂原子浓度来调节。 现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应 变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。
多晶硅敏感电阻压力传感器
多晶硅压阻膜压力传感器输出特性
硅－蓝宝石（SOS）

硅－蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅
晶体生长在蓝宝石（ -Al2O3 ）衬底上形 成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部 分，二者构成硅－蓝宝石SOS晶片。
硅－蓝宝石特点

1、蓝宝石材料为绝缘体； 2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计； 3、蓝宝石化学稳定性好，耐腐蚀，抗辐射性能 强； 4、蓝宝石机械强度高。 5、硅－蓝宝石材料又脆又硬，其硬度仅次于金刚 石，制作工艺技术比较复杂。


常用压电材料
1、石英晶体
a)石英晶体是绝缘体，在其表面沉积金属 电极引线，不会产生漏电现象； b)材质纯、内耗低及功耗小、机械品质因 数的理想值高，迟滞和蠕变极小； c）材质轻，密度为不锈钢的0.3倍，弯曲 强度为不锈钢的4倍； d）主要用来制造谐振器、振荡器及滤波器 等。

石英的化学组成为SiC2， SiC2的晶体形式即ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ英晶 体。石英晶体的理想形状 为六角锥体，Z轴为光轴、 Y轴为机械轴、X轴为电 轴。石英晶体是各向异性 材料，不同晶向具有各异 的物理特性。石英晶体又 是压电材料，其压电效应 与晶向有关。
第二章 微机电系统功能材料
MEMS 常用材料

半导体材料：硅及其化合物等。 电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。 磁致伸缩材料：镍铁合金等。 形状记忆材料：镍钛合金等。 其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、
电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。

选用依据及实例：
具体设计时，应根据微型元器件的功能，选用能获取系 统性能的材料。 例如、对于起制动作用的器件，应选用压电陶瓷、石英、 镍钛记忆合金等材料；用做器件和衬底的绝缘层，则可选 SiO Si3 N4 用硅的氧化层 或 2 等。

常用磁致伸缩材料
纯镍（Ni）和含68％Ni的铁镍合金，含13％Al 的铁铝磁性合金。镝铽铁合金（Terfenol-D） 是最理想的磁致伸缩材料，其在磁场中的伸缩 量是其它磁致伸缩材料伸缩量的40倍，并且有 较快的响应速度。
形状记忆合金



形状记忆合金（SMA）是一 种具有记忆功能的金属材料， 即在制作元件时，赋予它一 定的形状。在较低温度下， 它会改变这种形状；当温度 升高到原来温度时，它又会 恢复到原来形状。 形状记忆特性的本质是材料 的热弹性通过马氏体相变， 将热能转变为机械能。 可以通过电流加热的方式， 形状记忆合金能发出很大的 力，适用于制作制动器或驱 动器，如微阀、微泵等。
多晶硅电阻应变灵敏系数与 掺杂原子浓度的关系
由图可知，电阻应变灵敏 系数随掺杂浓度的增加而 略有下降。 其中G1是纵向应变灵敏系 数，最大值约为金属应变 计最大值的30倍，为单晶 硅电阻应变灵敏系数最大 值的1／3。 Gt为横向应变灵敏系数， 其值随掺杂浓度出现正负 变化，故一般都不采用。