微机电系统功能材料微机械制造技术优秀课件
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微机电系统MEMS的学习课件
MEMS技术的应用
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
加速度计 压阻式加速度计 电容式加速度计 压电式加速度计
惯性器件
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
MEMS技术的应用
空间应用 用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验,正在进行飞行搭载实验 微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究 通信方面 光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展 无线通信则要求增强功能如联网等和减小功耗.包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高,并且目前正处在加速发展时期
MEMS技术
MEMS技术
一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片
加速度计 压阻式加速度计 电容式加速度计 压电式加速度计
惯性器件
惯性器件
电容式微加速度计
光学MEMS器件
定义 Optical Transducers,MOEMS, Optical MEMS 分类 传统的光传感器、转换器 光传感、成像、发光器件光电子 利用光进行传感的器件 位置传感器、光谱仪、DNA芯片 利用微机械加工方法形成的器件 传统器件的新生命 新型器件
电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器
执行器、显示器等
信息输入与模/数传输
信息处理
信息输出与数/模转换
信息存储
作 业
1、MEMS工艺与微电 子工 艺技术有哪些区别. 2、列举几种你所知道的 MEMS器件,并简述其 用途.
MEMS的分类
微传感器： 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度陀螺、位置、流量传感器 磁学类：磁通计、磁场计 热学类：温度计 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
《mems微机电系统》PPT课件
• 特点： • 1.获得的构造的几何尺寸较大〔相应的质量
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
大〕，机械性能较好 • 2.存在对硅材料的浪费较大 • 3.与集成电路的兼容性不好
• 根据腐蚀剂的相态，即液相、气相和等离 子态，可以将体型微机械加工的腐蚀方法 划分为三种。采用液相腐蚀剂的腐蚀工艺 往往又称为湿法腐蚀，而采用气相和等离 子态腐蚀剂的腐蚀工艺那么称为干法腐蚀 。
• 多晶硅作为MEMS最常用的构造材料之一 ，它易于用IC技术进展构件制造， 且机械 性能满足要求。用微机械加工制造的典型 多晶硅薄膜的厚度至少大于3 μm。膜更厚 ，其强度和韧性更好。
• 外表微机械加工还采用其它构造材料，以获得可控 的剩余应力值、杨氏模量、薄膜形态、硬度、电导 率和光反射特性。 第一类材料是金属, 包括Al和化 学气相淀积〔CVD〕钨、电镀镍、铜等。特别是Al ，它具有良好的光反射特性，可用于构成微光学系 统的构造〔如Texas Instrument的DMD〕。此时 ，牺牲层材料可以采用气相淀积的有机物，如光刻 胶、聚酰亚胺、 聚对二甲苯等。第二类材料包括 CMOS工艺中制作互连所用的二氧化硅、多晶硅等 。 释放可在CMOS工艺后通过无掩模的干法刻蚀完 成。这些材料的应用可以简化机械构造与电路的集 成， 但机械特性有一定的限制。第三类材料是氮化 硅，这种薄膜的外表比多晶硅外表光滑，可以直接 淀积光发射材料，其张应力可以通过让薄膜富硅化 和在氧化气氛中退火的方法来减小。
一、电子束光刻胶
• 最新的电子束光刻胶开展： • 美国道康宁公司电子部〔Dow Corning
Electronics〕推出的Dow Corning® XR-1541电子束光刻胶。这一新型先进的 旋涂式光刻胶产品系列是以电子束〔 electron beam〕取代传统光源产生微影 图案，可提供图形定义小至6纳米的无掩模 光刻技术能力。
《微机电系统》PPT课件
2> Commonly used MEMS materials
Category
Material
Property or application
Metal
Au,Al,Cu,Ni,Cr
Conductor
Silicon
Structure, semiconductor
Poly-crystalline silicon Semicondu
1) Thermal oxidation
2) --growSiniOg 2 on Si
3) Dry oxidatioSn:iO2Si2O <1150°C,
4hr>
S 2 iH 2 O （ g ） S2 i 2 O 2H
4) Wet oxidation:
5)
<
800°C~1200°C > d
o.44d Si
3> Sputtering --A momentum-exchange process <not heating> --Low temperature process --We can sputter anything onto substrate
7> Semiconductor Devices Understanding of how the basic devices used ICs operate is useful, because it provides some understanding of the objectives we have for IC technology. The most commonly used IC devices are: 1> PN Diodes 2> Bipolar Junction Transistors 3> MOS Transistors
《微机电系统概论》课件
表面微加工技术
表面微加工技术包括物理沉积、化学沉积、电 化学沉积等多种方法，这些方法能够制造出具
有优异性能的薄膜材料。
表面微加工技术的优点在于它可以制造出大面积、高 精度和低成本的微纳器件，因此在微机电系统中得到
了广泛应用。
表面微加工技术是一种制造微机电系统的技术 ，它通过在衬底表面上的薄膜上进行加工，制 造出各种微结构和功能器件。
01
微机电系统的未来 展望
微纳融合技术
总结词
微纳融合技术是微机电系统未来的重 要发展方向，它将微纳尺度下的器件 、电路和系统进行融合，实现更小尺 寸、更高性能的集成。
详细描述
随着微纳技术的不断发展，将微电子 和纳电子进行融合，可以进一步缩小 器件尺寸，提高集成度，降低能耗， 为未来的智能化和微型化提供有力支 持。
01
微机电系统的应用 实例
微型飞行器
总结词
微型飞行器是微机电系统的重要应用之 一，具有体积小、重量轻、灵活性高等 特点。
VS
详细描述
微型飞行器可以在狭小空间内进行飞行和 侦查，广泛应用于军事侦察、环境监测、 灾难救援等领域。其制造需要精密的微加 工技术和先进的控制算法，以确保稳定性 和精度。
微型机器人
总结词
微型机器人是微机电系统的另一重要应用，具有高效、精准、灵活等优点。
详细描述
微型机器人可以执行各种复杂任务，如医疗手术、工业制造、环境治理等。通 过微机电系统技术，可以实现微型机器人的小型化、智能化和自主化，提高工 作效率和精度。
微型医疗器械
总结词
微型医疗器械是微机电系统在医疗领域的应用，具有体积小、操作简便、创伤小 等优点。
自组装和自修复技术
总结词
自组装和自修复技术是实现微机电系统自主适应环境变化的重要手段，通过自组装和自修复，微机电系统能够更 好地适应复杂环境，提高稳定性和可靠性。
先进制造技术——微机电系统
德国为代表
主要用于金属微结构器件的形成
LIGA工艺
模具
五、MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、 微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等
微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、 微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微 连杆等
微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、 微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、 微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
微机电系统(MEMS)
Micro-Electro-Mechanical Systems
一、MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的，已有 几次突破性的进展
70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度
计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应
微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
三、MEMS概念
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
非纯电路装置
硅微尖锥 F a b r i c a t i o n
子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
电容式微加速度计
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星 控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统
(ABS)、稳定控制和玩具。
2、微马达
旋转马达
静电
线性马达
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm
数字镜面显示（DMD） 可转动的硅微镜
主要用于金属微结构器件的形成
LIGA工艺
模具
五、MEMS的分类
微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、 微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等
微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、 微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微 连杆等
微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、 微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、 微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等
微机电系统(MEMS)
Micro-Electro-Mechanical Systems
一、MEMS技术的历史
微系统是从微传感器发展而来的，已有 几次突破性的进展
70年代微机械压力传感器产品问世 80年代末研制出硅静电微马达 90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度
计和数字微镜器件等相继规模化生产 充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应
微电子解决电子系统的微型化 非电子系统成为整个系统进一步缩小的关键
控制部分 电子学
机械 部分 传感 执行
微电子学 MEMS
三、MEMS概念
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
非纯电路装置
硅微尖锥 F a b r i c a t i o n
子浓度传感器 生物学类：DNA芯片
电容式微加速度计
微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星 控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统
(ABS)、稳定控制和玩具。
2、微马达
旋转马达
静电
线性马达
美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外， 全由硅片构成，直径仅15cm
数字镜面显示（DMD） 可转动的硅微镜
精品课件-机电一体化导论第10章 微机电系统技术
23
图10.6 微流量化学分析系统原理结构 24
• 10.5.4 在信息科学方面的应用 • 信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输
过程中外接的微型化、低功率的MEMS器件却是不可或缺的基 础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘 和磁头及打印头等，它们不仅具备信息交换和存储的能力， 同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。 • 射频(RF)MEMS器件，包括RF微机械开关、微机械谐振器、微 机械可调电容器、微机械电感器和滤波器、微机械天线以及 雷达系统用的RF器件等
5
• 人们泛称的是微机械电子系统（Microelectro-mechanical Systems，MEMS）。它是以微传感器、微执行器以及驱动和 控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活动和 控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质 量轻、功耗低。
• 传统（宏观）机械的最小构成单元通常是毫米量级，而微机 械的最小零件尺寸要下降3～6个数量级，即进入到微米和纳 米的尺度范畴。
19
• 微机电系统也推动了无人驾驶 微 型 飞 机 的 实 现 。 图 l0.4 给 出 的是利用微、纳米制造技术制 造出来的微型飞机样机。可以 放在手掌上的这种微型飞机的 翼展仅有 15 cm，靠体积仅有 纽扣大小（直径<1cm）的涡轮 喷气发动机或微型马达来驱动, 这种微型飞机可用于常规军用 侦察机监观不到的巷道和阴山 背地的地方侦察，搜集情报。
8
• 10.2.2 微机电系统分类 • （1）传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏
感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来 感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、 加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器, 按 种类分主要有: 面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型 加速度传感器、真空微电子传感器等。 • （2）生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析 和检测芯片或仪器, 有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、 微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、 反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。
图10.6 微流量化学分析系统原理结构 24
• 10.5.4 在信息科学方面的应用 • 信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输
过程中外接的微型化、低功率的MEMS器件却是不可或缺的基 础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘 和磁头及打印头等，它们不仅具备信息交换和存储的能力， 同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。 • 射频(RF)MEMS器件，包括RF微机械开关、微机械谐振器、微 机械可调电容器、微机械电感器和滤波器、微机械天线以及 雷达系统用的RF器件等
5
• 人们泛称的是微机械电子系统（Microelectro-mechanical Systems，MEMS）。它是以微传感器、微执行器以及驱动和 控制电路为基本元器件组成的、自动性能高的、可以活动和 控制的、机电合一的微机械装置。其基本特点是体积小、质 量轻、功耗低。
• 传统（宏观）机械的最小构成单元通常是毫米量级，而微机 械的最小零件尺寸要下降3～6个数量级，即进入到微米和纳 米的尺度范畴。
19
• 微机电系统也推动了无人驾驶 微 型 飞 机 的 实 现 。 图 l0.4 给 出 的是利用微、纳米制造技术制 造出来的微型飞机样机。可以 放在手掌上的这种微型飞机的 翼展仅有 15 cm，靠体积仅有 纽扣大小（直径<1cm）的涡轮 喷气发动机或微型马达来驱动, 这种微型飞机可用于常规军用 侦察机监观不到的巷道和阴山 背地的地方侦察，搜集情报。
8
• 10.2.2 微机电系统分类 • （1）传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏
感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来 感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、 加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器, 按 种类分主要有: 面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型 加速度传感器、真空微电子传感器等。 • （2）生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析 和检测芯片或仪器, 有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、 微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、 反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。
《微机电系统》课件 (2)
6. MEMS在生命科学中的应用
MEMS在生命科学领域具有广泛的应用前景。本节将介绍MEMS在医疗领域、 生物检测和环境检测中的应用案例，以及相关的技术发展和挑战。
7. MEMS未来的发展趋势
MEMS技术正在不断发展，为各行各业带来了巨大的影响。本节将回顾MEMS技术的发展历程，并展望未来的 发展方向和市场前景分析。
2. MEMS制造工艺
MEMS制造工艺包括生产MEMS器件所需的工艺流程和技术。本节将介绍常用 的MEMS加工工艺，以及在MEMS制造过程中可能面临的问题和解决方案。
3. MEMS传感器
MEMS传感器是一种将感知物理量转换为电信号的器件。本节将介绍MEMS传感器的基本原理，并重点讨论 MEMS压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和微波传感器。
4. MEMS执行器
MEMS执行器是一种能够执行特定任务的器件。本节将介绍MEMS执行器的基本原理，并重点讨论MEMS振动器、 阀门和显示器。
5. MEMS系统集成
MEMS系统集成是将多个MEMS器件和其他电子元器件组合成一个整体系统的 过程。本节将介绍MEMS系统的集成方法、设计要点和未来发展趋势。
微机电系统 PPT课件 (2)
本课件将介绍微机电系统（MEMS）的概述、应用领域、制造工艺、传感器与 执行器、系统集成、在生命科学中的应用、未来发展趋势等内容。
1. 简介
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程相结合的多学科交叉领域。本节将概述MEMS的定义、 发展历程和重要性，为后续内容打下基础。
8. 总结
本课件综合介绍了MEMS的概述、制造工艺、传感器与执行器、系统集成、在生命科学中的应用以及未来的发 展趋势。同时探讨了MEMS对未来的影响，以及提高MEMS技术研究和应用水平的挑战与机遇。
2++微机电系统功能材料++3微机械制造技术-156页PPT精品文档
7、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。
8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。
9、机械品质因数可高达1 0 6 ，硅没有机械迟滞 性能，是理想的传感器和致动器材料。
10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械 和微电子线路集成；便于实现批量化生产。
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。
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。
电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。
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。
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SiO2， SiO2的晶体形式即石英晶 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。
2、压电陶瓷
正压电效应
在机械应力作用下，将机械能转换为电能。
8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。
9、机械品质因数可高达1 0 6 ，硅没有机械迟滞 性能，是理想的传感器和致动器材料。
10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械 和微电子线路集成；便于实现批量化生产。
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。
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。
电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。
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。
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SiO2， SiO2的晶体形式即石英晶 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。
2、压电陶瓷
正压电效应
在机械应力作用下，将机械能转换为电能。
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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。
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
电阻温度特性随掺杂原子浓度的关系
多晶硅电阻随温度的变化特性
电阻温度系数随掺杂原子浓度的关系
多晶硅电阻应变灵敏特性
压缩时，电阻下降， 拉伸时，电阻上升。
电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。
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。
石，制作工艺技术比较复杂。
（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）
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。
S iO 2＋ 2 C S i+2 C O
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，可以得 到固态的“电子级硅”，其纯度可达1 0 -:91，它 可以作为单晶硅生产的原料。
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。
电阻率随掺B原子浓度的关系
多晶硅膜的电阻率 比单晶硅的高，特 别是在低掺杂原子 浓度下，多晶硅电 阻率迅速提高。随 掺杂原子浓度不同， 其电阻率可在较宽 数值范围内变化。
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
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。
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，
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 2、多晶硅； 3、硅－蓝宝石； 4、化合物半导体材料； 5、SiC薄膜材料。
导体、半导体及绝缘体
导 体：电阻率 103cm
半导体：电阻率 10 3 cm 108 cm
绝缘体：电阻率 108cm
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。
多晶硅的特点
1、具有较宽的工作温度范围（－60度～＋300 度）；
2、可调的电阻率特性； 3、可调的的温度系数； 4、较高的应变灵敏系数及容易调整。 5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在
不 可以同更的有材效料地衬抑底制上温制度作漂(如移在，介电有体利于SiO长2 ,期S)i,3稳而N4定且 性的实现。
微机电系统功能材料微机械制 造技术
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 用硅的氧化层 或S i O 2等。S i3 N 4
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。
6、硅的熔点高（14000 C ），约为铝的两倍，高 熔点使其具有良好的高温稳定性。
7、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。
8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。
9、机械品质因数可高达1 0 ，6 硅没有机械迟滞性 能，是理想的传感器和致动器材料。
10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械 和微电子线路集成；便于实现批量化生产。
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。
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
电阻温度特性随掺杂原子浓度的关系
多晶硅电阻随温度的变化特性
电阻温度系数随掺杂原子浓度的关系
多晶硅电阻应变灵敏特性
压缩时，电阻下降， 拉伸时，电阻上升。
电阻应变灵敏系数 随掺杂浓度的增加 而略有降低。
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。
石，制作工艺技术比较复杂。
（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）
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。
S iO 2＋ 2 C S i+2 C O
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，可以得 到固态的“电子级硅”，其纯度可达1 0 -:91，它 可以作为单晶硅生产的原料。
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。
电阻率随掺B原子浓度的关系
多晶硅膜的电阻率 比单晶硅的高，特 别是在低掺杂原子 浓度下，多晶硅电 阻率迅速提高。随 掺杂原子浓度不同， 其电阻率可在较宽 数值范围内变化。
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
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。
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，
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 2、多晶硅； 3、硅－蓝宝石； 4、化合物半导体材料； 5、SiC薄膜材料。
导体、半导体及绝缘体
导 体：电阻率 103cm
半导体：电阻率 10 3 cm 108 cm
绝缘体：电阻率 108cm
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。
多晶硅的特点
1、具有较宽的工作温度范围（－60度～＋300 度）；
2、可调的电阻率特性； 3、可调的的温度系数； 4、较高的应变灵敏系数及容易调整。 5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在
不 可以同更的有材效料地衬抑底制上温制度作漂(如移在，介电有体利于SiO长2 ,期S)i,3稳而N4定且 性的实现。
微机电系统功能材料微机械制 造技术
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 用硅的氧化层 或S i O 2等。S i3 N 4
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。
6、硅的熔点高（14000 C ），约为铝的两倍，高 熔点使其具有良好的高温稳定性。
7、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。
8、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。
9、机械品质因数可高达1 0 ，6 硅没有机械迟滞性 能，是理想的传感器和致动器材料。
10、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械 和微电子线路集成；便于实现批量化生产。