微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件

第二章微機電系統(tǒng)功能材料第二章微機電系統(tǒng)功能材料1MEMS常用材料半導體材料：硅及其化合物等。電致伸縮材料：壓電陶瓷、氧化鋅、石英等。磁致伸縮材料：鎳鐵合金等。形狀記憶材料：鎳鈦合金等。其它：特殊功能聚合物、復合材料及人工構(gòu)造薄膜材料、電流變液或磁流變液材料、納米相材料等。選用依據(jù)及實例：具體設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)微型元器件的功能，選用能獲取系統(tǒng)性能的材料。例如、對于起制動作用的器件，應(yīng)選用壓電陶瓷、石英、鎳鈦記憶合金等材料；用做器件和襯底的絕緣層，則可選用硅的氧化層或等。MEMS常用材料半導體材料：硅及其化2硅及其化合物材料1、單晶硅；2、多晶硅；3、硅－藍寶石；4、化合物半導體材料；5、SiC薄膜材料。硅及其化合物材料1、單晶硅；3導體、半導體及絕緣體導體：電阻率半導體：電阻率絕緣體：電阻率導體、半導體及絕緣體導體：電阻率4常用材料的電阻率常用材料的電阻率5硅材料特性1、硅在集成電子線路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是利用硅的機械特性和電學特性。2、特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其具有各項異性，通過摻雜獲得的p型硅和n型硅具有不同的導電性能和機械性能。3、儲量豐富，成本低；材質(zhì)的內(nèi)含雜質(zhì)極少，易于提純，純型硅的雜質(zhì)含量可降至十億分之一，因而本身的內(nèi)耗少，力學性能穩(wěn)定。4、硅材料質(zhì)量輕，密度是不銹鋼的1／3.5。5、彎曲強度高，為不銹鋼的3.5倍。硅材料特性1、硅在集成電子線路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)66、硅的熔點高（1400），約為鋁的兩倍，高熔點使其具有良好的高溫穩(wěn)定性。7、硅的熱膨脹系數(shù)比鋼小8倍，比鋁小10倍。8、具有很好的導熱性，是不銹鋼的5倍。9、機械品質(zhì)因數(shù)可高達，硅沒有機械遲滯性能，是理想的傳感器和致動器材料。10、與微電子集成電路工藝兼容，易與微機械和微電子線路集成；便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。6、硅的熔點高（1400），約為鋁的兩倍，高熔點使其具有7硅的晶體結(jié)構(gòu)對于硅的原子，硅的晶格幾何結(jié)構(gòu)并不均勻，但是硅基本上是面心立方體晶胞。典型的面心立方單位晶胞如圖所示。硅的晶體結(jié)構(gòu)對于硅的原子，硅的晶格幾何結(jié)構(gòu)并不均勻，但是硅8一個硅的單位晶胞有18個原子，其中8個原子在角部，6個原子在面上，4個原子在內(nèi)部。一個硅的單位晶胞有18個原子，其中8個原子在角部，6個原子在9硅晶胞的主平面前平面（100）、對角面（110）、傾斜面（111）硅晶胞的主平面前平面（100）、對角面（1110三個主平面（晶面）上的硅原子三個主平面（晶面）上的硅原子11硅材料的各向異性（111）平面上相鄰原子間的晶格距離最短，使該平面的原子間的吸引力大于其它兩個平面。同時，該平面包含單位晶胞面心的四個原子的三個，因此，該平面晶體生長最慢，刻蝕等加工過程進行的也最慢。硅材料的各向異性（111）平面上相鄰原子間的晶12單晶硅的生產(chǎn)生產(chǎn)單晶硅盤或“硅片”的步驟如下：

原材料的準備和清理；高純和多晶硅的生產(chǎn)；單晶硅的生長；單晶硅的機械加工。硅原材料的制取原料硅可以由原材料石英砂進行還原而制得。這一提取過程在用碳作電極的電弧爐中進行，可以得到純度為98％的“冶金級硅”。單晶硅的生產(chǎn)生產(chǎn)單晶硅盤或“硅片”的步13單晶硅的提純

經(jīng)過連續(xù)分餾、逆向反應(yīng)及氣化分離，可以得到固態(tài)的“電子級硅”，其純度可達:1，它可以作為單晶硅生產(chǎn)的原料。單晶硅的生長或“拉制”

常用方法：Czochralski(簡稱為CZ法)和懸浮區(qū)法。單晶硅的提純14硅CZ法提純原理硅CZ法提純原理15單晶硅的機械加工單晶硅的機械加工16硅的摻雜硅的摻雜17N型硅和P型硅－半導體材料P型硅是在純硅材料中加入了硼（B）原子：由于B原子外面帶有3個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生空穴。N型硅是在純硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于硅原子外面為帶有4個正電荷，而As或P原子外面帶有5個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生游離電子。摻雜破壞的純硅材料電子的平衡，促使電子流動加劇，導電性能得到提高。摻雜濃度越高，電阻率越低，越容易導電，N型硅和P型硅－半導體材料P型硅是在純硅材料中加入了硼（18微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件19硅材料對溫度的敏感性硅材料對溫度的敏感性20微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件21多晶硅多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是無序的，不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)部有單晶的特征，因而在熱分析和結(jié)構(gòu)分析時可看作各向同性材料。晶粒與晶粒之間的部位叫晶界，晶界對其電特性的影響可以通過控制摻雜原子濃度來調(diào)節(jié)。現(xiàn)就多晶硅的電阻率、電阻溫度系數(shù)及電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與摻雜原子濃度的關(guān)系論述如下。多晶硅多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是22電阻率隨摻B原子濃度的關(guān)系多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別是在低摻雜原子濃度下，多晶硅電阻率迅速提高。隨摻雜原子濃度不同，其電阻率可在較寬數(shù)值范圍內(nèi)變化。電阻率隨摻B原子濃度的關(guān)系多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別23電阻溫度特性隨摻雜原子濃度的關(guān)系多晶硅電阻隨溫度的變化特性電阻溫度系數(shù)隨摻雜原子濃度的關(guān)系電阻溫度特性隨摻雜原子濃度的關(guān)系多晶硅電阻隨溫度的變化特性電24多晶硅電阻應(yīng)變靈敏特性壓縮時，電阻下降，拉伸時，電阻上升。電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)隨摻雜濃度的增加而略有降低。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏特性壓縮時，電阻下降，拉伸時，電阻上升。25多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與

摻雜原子濃度的關(guān)系由圖可知，電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中G1是縱向應(yīng)變靈敏系數(shù)，最大值約為金屬應(yīng)變計最大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值的1／3。Gt為橫向應(yīng)變靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負變化，故一般都不采用。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與

摻雜原26多晶硅的特點1、具有較寬的工作溫度范圍（－60度～＋300度）；2、可調(diào)的電阻率特性；3、可調(diào)的的溫度系數(shù)；4、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)及容易調(diào)整。5、與單晶硅壓阻膜相比，多晶硅壓阻膜可以在不同的材料襯底上制作(如在介電體),而且可以更有效地抑制溫度漂移，有利于長期穩(wěn)定性的實現(xiàn)。多晶硅的特點1、具有較寬的工作溫度范圍（－60度～＋300度27多晶硅敏感電阻壓力傳感器多晶硅敏感電阻壓力傳感器28多晶硅壓阻膜壓力傳感器輸出特性多晶硅壓阻膜壓力傳感器輸出特性29硅－藍寶石（SOS）硅－藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體生長在藍寶石（）襯底上形成的。硅晶體可以認為是藍寶石的延伸部分，二者構(gòu)成硅－藍寶石SOS晶片。硅－藍寶石（SOS）硅－藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體30硅－藍寶石特點1、藍寶石材料為絕緣體；2、藍寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計；3、藍寶石化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射性能強；4、藍寶石機械強度高。5、硅－藍寶石材料又脆又硬，其硬度僅次于金剛石，制作工藝技術(shù)比較復雜。

（所以利用硅－藍寶石可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)越性能的傳感器和電路）硅－藍寶石特點1、藍寶石材料為絕緣體；31

SiC薄膜材料SiC是一種特殊環(huán)境下使用的化合物半導體。它由碳原子和硅原子組成，利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi)，便可以獲得優(yōu)質(zhì)的立方晶體結(jié)構(gòu)的SiC。特點：具有優(yōu)異的物理、化學及電學性能，高強度（是單晶硅的3倍）、大剛度、內(nèi)部的殘余應(yīng)力很低，較高的壓阻系數(shù)，熔點高（2300）。因此，SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射，非常適合于高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機電系統(tǒng)的選擇使用。由于SiC單晶材料成本高、硬度大及加工難度大，所以以硅單晶片為襯底的SiC薄膜就成為研究和使用的理想選擇。與單晶SiC薄膜相比，多晶SiC的適用性更廣。SiC薄膜材料SiC是一種特殊環(huán)32壓電材料壓電效應(yīng)壓電材料的主要屬性是，其彈性效應(yīng)和電極化效應(yīng)在機械應(yīng)力或電場（電壓）作用下將發(fā)生相互耦合，也就是應(yīng)力－應(yīng)變－電壓之間存在內(nèi)在聯(lián)系。正壓電效應(yīng)在機械應(yīng)力作用下，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。逆壓電效應(yīng)在電壓作用下，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。壓電材料壓電效應(yīng)33

壓電效應(yīng)的機理分析當壓電材料在外力作用下產(chǎn)生變形時，會引起它內(nèi)部正負電荷的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電極化，使兩個相對表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，外力消失，晶體又恢復不帶電的原始狀態(tài)，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。當對壓電材料施加電場作用時，會引起材料內(nèi)部正負電荷中心的相對位移，導致材料變形，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的機理分析當壓電材料在外力作用下產(chǎn)生34壓電材料的特點及應(yīng)用壓電材料可以大塊使用也可以小塊分散使用，利用正壓電效應(yīng)感知外界的機械能，可以制作微傳感器；利用逆壓電效應(yīng)作為驅(qū)動力，可以制作壓電微執(zhí)行器。由于壓電材料的的變形量十分微小，一般僅在幾個nm/v，單個壓電元件的變形量約為總長度的0.1%～0.2％，這在需要精密定位的微操作器中很有意義。壓電材料作驅(qū)動器時，它的激勵功率小，響應(yīng)速度較快，是形狀記憶合金的一萬倍。壓電器件可做得很薄，且組合靈活。壓電材料的特點及應(yīng)用壓電材料可以大塊使用也可以小35常用壓電材料常用壓電材料361、石英晶體a)石英晶體是絕緣體，在其表面沉積金屬電極引線，不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象；b)材質(zhì)純、內(nèi)耗低及功耗小、機械品質(zhì)因數(shù)的理想值高，遲滯和蠕變極??；c）材質(zhì)輕，密度為不銹鋼的0.3倍，彎曲強度為不銹鋼的4倍；d）主要用來制造諧振器、振蕩器及濾波器等。1、石英晶體a)石英晶體是絕緣體，在其表面沉積金屬電極引線，37石英的化學組成為SiC2，SiC2的晶體形式即石英晶體。石英晶體的理想形狀為六角錐體，Z軸為光軸、Y軸為機械軸、X軸為電軸。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體又是壓電材料，其壓電效應(yīng)與晶向有關(guān)。石英的化學組成為SiC2，SiC2的晶體形式即石英晶體。石英382、壓電陶瓷陶瓷材料是以化學合成物質(zhì)為原材料，經(jīng)過精密的成型燒結(jié)而成。燒結(jié)前，嚴格控制合成物質(zhì)的組份比，便可以研制成適合多種用途的功能陶瓷，如壓電陶瓷（電致伸縮材料）、半導體陶瓷、導體陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。壓電陶瓷是陶瓷經(jīng)過電極化之后形成的，電極化之后的壓電陶瓷為各向異性的多晶體。2、壓電陶瓷陶瓷材料是以化學合成物質(zhì)為原材料，經(jīng)過精密的成型39

壓電陶瓷的特點用于致動器和傳感器元件的壓電陶瓷，具有價廉、質(zhì)輕小巧、易于與基體結(jié)合、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。此外，它對結(jié)構(gòu)的動力學特性的影響很小，并且通過分布排列可實現(xiàn)大規(guī)模的結(jié)構(gòu)驅(qū)動，因而具有較強的驅(qū)動能力和控制作用。由于壓電陶瓷具有微小位移且精度高這一突出優(yōu)勢，適應(yīng)微機械、微機器人微小位移控制的要求，用作壓電驅(qū)動器是比較理想的。壓電陶瓷的特點用于致動器和傳感器元件的壓電40常用的壓電陶瓷

鈦酸鋇（BT）、鋯鈦酸鉛（BZT）、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛（PN）、鈮酸鉛鋇鋰（PBLN）、改性鈦酸鉛等。壓電陶瓷的極限應(yīng)變小，目前還不能作為結(jié)構(gòu)材料。常用的壓電陶瓷41磁致伸縮材料某些鐵磁性合金，在外磁場作用下，其體內(nèi)自發(fā)磁化形成的各個磁疇的磁化方向均轉(zhuǎn)向外磁場的方向，并成規(guī)則排列而磁化，使體內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變，伸縮量一般很小，約為數(shù)量級。這種由于磁而產(chǎn)生應(yīng)變的現(xiàn)象稱為正磁致伸縮效應(yīng)；反之，磁化的鐵磁體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，其磁疇的結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化，使材料體內(nèi)磁通密度發(fā)生變化，形成逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮材料在磁場中的伸縮量很小，可以用在微機電系統(tǒng)中作為驅(qū)動器（磁－機轉(zhuǎn)換）和接收器（機－磁轉(zhuǎn)換）等。磁致伸縮材料某些鐵磁性合金，在外磁場作用下，其體內(nèi)自發(fā)磁化形42磁致伸縮換能器為了獲得由驅(qū)動器向接收器的最佳能量傳遞，磁致伸縮效應(yīng)器件通常設(shè)計在其諧振點上工作，因此，設(shè)計這類器件主要考慮其振動特性。磁致伸縮換能器工作原理如圖所示。磁致伸縮換能器為了獲得由驅(qū)動器向接收器的最佳能量傳遞，磁致伸43磁致伸縮材料的特點

具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，即當磁化飽和時，材料沿磁化方向的伸縮比較大，其值約為微應(yīng)變。常用磁致伸縮材料

純鎳（Ni）和含68％Ni的鐵鎳合金，含13％Al的鐵鋁磁性合金。鏑鋱鐵合金（Terfenol-D）是最理想的磁致伸縮材料，其在磁場中的伸縮量是其它磁致伸縮材料伸縮量的40倍，并且有較快的響應(yīng)速度。磁致伸縮材料的特點44形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）是一種具有記憶功能的金屬材料，即在制作元件時，賦予它一定的形狀。在較低溫度下，它會改變這種形狀；當溫度升高到原來溫度時，它又會恢復到原來形狀。形狀記憶特性的本質(zhì)是材料的熱彈性通過馬氏體相變，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能?？梢酝ㄟ^電流加熱的方式，形狀記憶合金能發(fā)出很大的力，適用于制作制動器或驅(qū)動器，如微閥、微泵等。形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）是一種具有記憶功能的金屬材45形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變特性熱彈性相變與溫度、應(yīng)力及應(yīng)變有關(guān)。在低溫或高溫狀況下，卸載過程結(jié)束時，均無殘余的非彈性應(yīng)變，而呈現(xiàn)出完全彈性。形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變特性熱彈性相變與溫度、應(yīng)力及應(yīng)變有關(guān)。46形狀記憶合金的特點形狀記憶合金的記憶性隨合金材料的不同而不同。最大可恢復應(yīng)變的記憶上限為15％，即形狀的變形程度達到原形的的15％時，還能“記住”原先的的外形，只要通過加熱，形狀即可恢復。超過15％時，“記憶”將不再現(xiàn)。形狀記憶合金的電阻率較大，故常采用電流加熱方式。在恢復其“記憶”形狀的過程中，形狀記憶合金能發(fā)出很大的力，適用于制作致動器或驅(qū)動器。如微泵、微閥等由于形狀記憶合金的動作依靠加熱和冷卻，因此，形狀記憶合金的驅(qū)動器的響應(yīng)時間比壓電材料驅(qū)動器長，但壓電材料最大可恢復應(yīng)變只有1％。形狀記憶合金的的最大缺點是要有熱源，長期使用會產(chǎn)生蠕變，因此，使用時要注意壽命期限。形狀記憶合金的特點形狀記憶合金的記憶性隨合金材47

形狀記憶合金的常用材料在形狀記憶合金材料中，鎳鈦合金（TiNi）為高性能形狀記憶合金材料，具有良好的耐疲勞特性、抗腐蝕性以及較大的可恢復應(yīng)變量（8％～10％）。銅基形狀記憶合金（ZnAlCu，NiAlCu等）的成本低，約為鎳鈦合金的1％，但其最大可恢復應(yīng)變只有4％。形狀記憶合金的常用材料在形狀記憶合金材料中，鎳鈦合48微系統(tǒng)驅(qū)動器件常用材料性能比較微系統(tǒng)驅(qū)動件常用材料主要有壓電材料、磁致伸縮材料及形狀記憶合金。它們的制動能力來源于電致、磁致及熱致產(chǎn)生的機械應(yīng)變。其主要特點及差別如表所示。微系統(tǒng)驅(qū)動器件常用材料性能比較微系統(tǒng)驅(qū)動件常用材料主要有49電流變液和磁流變液材料電流變液和磁流變液電流變液和磁流變液是2種神奇的液體。它們經(jīng)受電場或磁場作用時，其粘性系數(shù)會發(fā)生巨變。當其處于常態(tài)下，可以很容易攪動；但是當其中有電流或磁流穿過時，它會突然間變得很粘稠。電流變液和磁流變液材料電流變液和磁流變液50電流變液和磁流變液性能比較雖然電流變液和磁流變液二者的物理性質(zhì)相似，但實際性能卻有明顯差異。磁流變液與電流變液的塑性相似；但其屈服強度卻明顯高于者．高達80kPa．而電流變液的屈服強度僅為3kPa。磁流變液對環(huán)境的適應(yīng)能力強，不受加工和使用中混入的化學雜質(zhì)的影響。在一40～十125度環(huán)境下工作時，其屈服強度僅產(chǎn)生微小變化，且原料無毒．對環(huán)境無污染。電流變液對于生產(chǎn)環(huán)境要求相當苛刻，須嚴格的質(zhì)量控制。另外，相同的配比，不同批的電流變液產(chǎn)品，在性能上會表現(xiàn)出較大的差異。電流變液還有另一大缺點，就是使用的電壓很高，高達幾干伏．具有一定的危險性。鑒于此，磁流變液的應(yīng)用倍受關(guān)注。現(xiàn)巳生產(chǎn)出多種標準的磁流變液產(chǎn)品，可用做減振降噪、衰減結(jié)構(gòu)及損傷愈合等方面的制動器件。電流變液和磁流變液性能比較雖然電流變液和磁流變液二者的物51膨脹合金膨脹合金是指在一定溫度范圍內(nèi)具有特殊的線膨脹系數(shù)的合金。膨脹合金在微機電系統(tǒng)中，多用作它的線膨脹系數(shù)一致或接近的其它的材料進行匹配封接，以減小熱應(yīng)力發(fā)生的可能。鐵鎳低膨脹合金、鐵、鎳、鈷及玻璃封接合金、鐵鎳鈷瓷封合金等。膨脹合金膨脹合金是指在一定溫度范圍內(nèi)具有特殊的線膨脹系數(shù)的合52金剛石材料金剛石（鉆石－晶體形狀的碳）形成與制備

天然金剛石，形成于數(shù)百萬年前壓力極大、溫度極高的地殼深處。而人工合成鉆石是在巨大的水壓中，利用碳（石墨）和金屬催化劑制造而成。金剛石（鉆石）的特點材質(zhì)堅硬、耐強酸強堿腐蝕、耐磨及抗輻射，是一種極佳的熱導體，其散熱效果比硅還要強10多倍。金剛石（鉆石）在微系統(tǒng)中的應(yīng)用

金剛石主要用來制備具有相對運動的活動接觸零部件。以及采用化學氣相淀積工藝，在微結(jié)構(gòu)的活動接觸表面上形成一層金剛石涂層的方法，以增強耐磨性和耐環(huán)境的化學侵蝕。金剛石材料金剛石（鉆石－晶體形狀的碳）形成與制備53

金剛石材料的應(yīng)用背景硅及其化合物材料，如單晶硅、多晶硅、二氧化硅及氮化硅，因為它們具有很好的機械性能和工藝性能在微機電系統(tǒng)中被經(jīng)常使用，但是在某些場合，如旋轉(zhuǎn)電機、微齒輪及接觸探頭等具有相對運動的活動接觸部件，采用硅及其化合物材料，容易磨損。在此情況下，選用摩擦系數(shù)小、耐磨性能好的材料，對于改進活動微結(jié)構(gòu)的性能就非常重要。其中金剛石就是一種優(yōu)選材料。金剛石材料的應(yīng)用背景硅及其化合物材料，如單晶硅54納米相材料簡介

納米材料，包括納米金屬、納米半導體、納米陶瓷及其他納米固體材料，與常規(guī)的金屬、半導體、陶瓷及其他固體材料一樣，都是由同樣的原子組成的，只是這些原子排列成了納米級的原于團，成為組成納米材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。常規(guī)材料中的基本顆粒的直徑小到幾微米，大到幾mm，包含幾十億個原子；而納米材料中的基本顆粒的直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑3nm的原子團，大約包含900個原子，幾乎是書中個句點的百萬分之一，相當于一條30多米長的帆船與地球的比例。納米材料中基本顆粒的微小尺寸效應(yīng)，致使材料中的結(jié)構(gòu)顆?；蛟訄F大多數(shù)是不存在位錯的，因而大大減少了材料內(nèi)部的缺陷；因此，納米材料對機械應(yīng)力、光、電及磁的反應(yīng)完全不同于由微米級或mm級結(jié)構(gòu)顆粒組成的常規(guī)材料，在宏觀上表現(xiàn)出異乎尋常的特性。例如，常規(guī)的陶瓷脆而易碎，變成納米相形式后就有了塑性，發(fā)生較大形變也不會裂成許多碎片，且可進行切削加工。原因是，nm級晶粒之間不存在位錯；相互之間滑動起來容易形變。又如，納米相銅的強度比常規(guī)相銅的強度高出5倍。納米相材料簡介納米材料，包括納米金屬、納米半導體、納米陶瓷55納米相材料的未來納米材料是當今世界范圍的研究熱點，但它的科學史迄今只有40余年，尚處在發(fā)展的初期。盡管納米材料涉及的范圍很寬，但目前報道較多的，集中在陶瓷材科和金屬間化合物方面。隨著研究的深入，人們會找到更有效的方法，在原子級上控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，更透徹地了解它們的特性，設(shè)計和制造出適應(yīng)各種需要的納米材料。納米相材料在未來的材料技術(shù)中將發(fā)揮越來越重要的作用。也可以預見，未來的納米金屬材料、電子材料、光子材料及其它固體材料的開發(fā)和生產(chǎn)，對于制造高性能的微機電器件、光電器件、傳感器件、制動器件、微機電系統(tǒng)以及微機光電系統(tǒng)，必將產(chǎn)生深遠的影響。納米相材料的未來納米材料是當今世界范圍的研56第三章微機械制造技術(shù)第三章微機械制造技術(shù)57尺寸特征對制造加工的要求微機電系統(tǒng)的整體尺寸一般在cm～mm量級，單個元件尺寸則在幾百微米以下，最小加工尺寸達微米至亞微米級，最高尺寸精度達nm級。特征尺寸如此微小的元器件，其制作不能采用傳統(tǒng)的精密機械制造方法，而應(yīng)采用以腐蝕和表面顯微加工為基礎(chǔ)的微米和納米制造技術(shù)，統(tǒng)稱為微機械制造(加工)技術(shù)。尺寸特征對制造加工的要求微機電系統(tǒng)的整體尺寸一般在cm58微機械制造技術(shù)概述微米和納米加工技術(shù)目的主要分為硅微機械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、特種精密制造技術(shù)及固相鍵合技術(shù)。用這些技術(shù)可以制作出層與層之間差別很大的各種微結(jié)構(gòu)及器件，包括膜片、彈性梁、探針、孔、槽、錐體、空腔、叉指結(jié)構(gòu)、齒輪及閥門等，這些微機械結(jié)構(gòu)和器件與特殊用途的薄膜和高性能的微電子線路相綜合，就能制成多種多樣的微傳感器和微執(zhí)行器，并可組成微機械電子系統(tǒng)，實現(xiàn)不同用途的測量和控制。微機械制造技術(shù)概述微米和納米加工技術(shù)目的主59微機械制造技術(shù)的分類硅微機械制造技術(shù)

體型微加工技術(shù)（化學腐蝕、離子刻蝕）。表面微加工技術(shù)（薄膜生成技術(shù)、犧牲層技術(shù)）。LIGA技術(shù)和SLIGA技術(shù)

X光深度同步輻射光刻、電鑄制模及注模復制。SLIGA技術(shù)由犧牲層技術(shù)和LIGA技術(shù)結(jié)合而成。特種精密機械制造技術(shù)

激光精密加工和微放電加工技術(shù)。固相鍵合技術(shù)

陽極鍵合、硅－硅直接鍵合、玻璃封接鍵合、金屬共熔鍵合、冷壓焊鍵合。微機械制造技術(shù)的分類硅微機械制造技術(shù)60硅微機械制造技術(shù)硅微機械制造技術(shù)的基本工藝：

照相平版印刷技術(shù)（光刻）、氧化硅熱生長、化學腐蝕、電化學腐蝕、離子刻蝕、化學氣相淀積、物理氣相淀積、擴散與注入、外延生長、犧牲層技術(shù)、陽極鍵合及硅－硅鍵合等。這些工藝的不同組合，形成了硅體型微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)及硅片結(jié)合技術(shù)等。硅微機械制造技術(shù)硅微機械制造技術(shù)的基本工藝：61體型微加工技術(shù)體型微加工技術(shù)的作用

主要利用專門的腐蝕技術(shù)刻蝕出三維微結(jié)構(gòu)。常用方法1、化學腐蝕

a)各向同性腐蝕，b)各向異性腐蝕、c)腐蝕停止技術(shù)。2、離子刻蝕體型微加工技術(shù)體型微加工技術(shù)的作用62物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)63元素周期表元素周期表64物質(zhì)元素的本性1、在周期表中每種元素包含特定數(shù)目的質(zhì)子，沒有任何兩種元素的質(zhì)子數(shù)是相同的。2、包含相同外層電子數(shù)的元素具有相似的性能。3、外層具有8個電子的元素是穩(wěn)定的。4、一種原子傾向于尋找其它原子結(jié)合形成滿的外層電子層，即在外層具有8個電子。物質(zhì)元素的本性1、在周期表中每種元素包65物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)66分子間力隨間隔的變化分子間力隨間隔的變化67化學腐蝕和離子刻蝕腐蝕與刻蝕的定義：

腐蝕（刻蝕）是對材料的某些部分進行有選擇的去除的工藝。腐蝕方法大致分為兩種：

化學腐蝕和離子刻蝕?；瘜W腐蝕：利用化學腐蝕液進行腐蝕加工。離子刻蝕：利用惰性氣體進行腐蝕加工?；瘜W腐蝕和離子刻蝕腐蝕與刻蝕的定義：68化學腐蝕1、硅的各向同性腐蝕：

普遍采用氧化劑氮酸氫、去除劑氫氟酸、稀釋劑水或是乙酸的混合成的腐蝕劑（HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)）。腐蝕中改變腐蝕劑的成分配比、摻雜濃度及溫度，可以獲得不同的腐蝕速率。2、硅的各向異性腐蝕：

常用的腐蝕劑有乙二胺、聯(lián)氨等和水。腐蝕速度取決于腐蝕晶向、摻雜原子濃度和溫度?；瘜W腐蝕1、硅的各向同性腐蝕：69各向同性腐蝕濕法各向同性腐蝕多用在完成以下的工藝過程：①清除硅表面上的污染或修復被劃傷了的硅表面；②形成單品硅平膜片；③形成單晶硅或多晶硅薄膜上的圖案，以及圓形或橢圓形截面的腔和槽等。各向同性腐蝕濕法各向同性腐蝕多用在完成以下的工藝過程：70各向同性腐蝕的化學反應(yīng)使用HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，硅表面發(fā)生化學反應(yīng)：形成兩種可溶性物質(zhì)。上述腐蝕劑中用水作為稀釋濟。和水相比，用乙酸作為稀釋劑會更好些。因為乙酸是弱酸，電離度較小，可在更寬范圍內(nèi)起稀釋作用，并保持HNO3的氧化能力，使腐蝕液的氧化能力在使用期內(nèi)相當穩(wěn)定。各向同性腐蝕的化學反應(yīng)使用HF-HNO3腐蝕系統(tǒng)，硅表面發(fā)生71硅等腐蝕線圖硅等腐蝕線圖72各向異性腐蝕各向異性腐蝕73硅晶面上的基準面位置硅晶面上的基準面位置74各向異性腐蝕機制硅在不同晶面上的晶胞密度不同。使硅表面原子氧化所需要的能量與硅表面上未成對的每個原子懸掛鍵的密度有關(guān)。（100）面上每個硅原子有2個懸掛鍵，而（111）面上每個硅原子只有1個懸掛鍵，故（100）面腐蝕速率快。各向異性腐蝕機制硅在不同晶面上的晶胞密度不同。75硅的各向異性腐蝕機理硅在不同晶面上的晶胞密度可能是造成各向異性腐蝕的主要原因。(111)面上的晶胞堆積密度大于(100)面，所以(111)面的腐蝕速率比預期的要慢。另一可能的因素是：使硅表面原子氧化所需要的能量。這與硅表面上未成對的每個原子懸掛鍵的密度有關(guān)。(100)面上每個硅原子有2個懸掛鍵，可以結(jié)合2個；而(111)面上每個硅原子則僅有1個懸掛鍵，故(100)面比(111)面的腐蝕速率快。而相應(yīng)的背鍵(與次表面硅原了結(jié)合的Si—Si鍵，簡稱背鍵)數(shù)，(111)面上有3個，(100）面上有2個；因此(111)面上使硅原子氧化需打斷3個背鍵，所以(111)面的腐蝕速率比預期的更慢。還有，(111)面較(100)面更容易產(chǎn)生自身預鈍化效應(yīng)，這也是導致(111)面腐蝕速率，慢上加慢的一個重要原因。硅的各向異性腐蝕機理硅在不同晶面上的晶胞密度可能是造成各向異76單晶硅的晶面腐蝕特性單晶硅為各向異性體，其化學腐蝕特性也是各向異性的，腐蝕速率：一般而言，腐蝕速率(100)/(111)面大約為400:1。而（110）面的腐蝕速率則介于二者之間。（111）面腐蝕速率低的原因：

晶胞密度大；懸掛鍵少，導致使硅表面原子氧化所需要的能量?。槐虫I多（(111)面上使硅原子氧化需打斷3個背鍵）；容易產(chǎn)生自身預鈍化效應(yīng)。單晶硅的晶面腐蝕特性單晶硅為各向異性體，其化學腐蝕特性也是各77各向異性腐蝕劑由于腐蝕液的毒性小，又易操作，并能腐蝕出良好的表面，故常被采用。和各向同性腐蝕一樣，其腐蝕機理就是對硅進行氧化，反應(yīng)式為：各向異性腐蝕劑由于腐蝕液的毒性小，又易操78腐蝕過程各向異性腐蝕前，先在硅表面上覆蓋一層或，作為掩模；然后刻出掩模窗口使硅暴露出來；再利用腐蝕液對硅襯底的表面進行縱向腐蝕。對于（100）晶面，腐蝕出的是V形槽。腐蝕過程各向異性腐蝕前，先在硅表面上覆蓋一層79腐蝕事項1、腐蝕速率不僅取決于晶向，還受腐蝕劑種類和其成分配比、摻雜原子濃度及溫度等因素影響；2、根據(jù)腐蝕液的種類，選擇掩模的類型。腐蝕事項1、腐蝕速率不僅取決于晶向，還受腐蝕劑種類和其成分配80腐蝕停止技術(shù)1、腐蝕停止與摻雜原子濃度的關(guān)系

在各向同性腐蝕中，摻雜濃度越高，則腐蝕速率越快，當摻雜濃度小于某一數(shù)值時，腐蝕速率基本停止。而在各向異性腐蝕中，摻雜濃度對腐蝕速率的影響恰恰相反。摻雜濃度越低，腐蝕速率越高；當摻雜濃度高于某一數(shù)值時，腐蝕速率將基本停止。結(jié)論：只要在單晶硅表面進行硼重摻雜，就可以使重摻雜區(qū)的腐蝕速率遠小于其他非重摻雜區(qū)域，從而使腐蝕自動停止在兩者的交界面上。但由于重摻雜層具有較大的內(nèi)應(yīng)力，使其應(yīng)用受到限制。腐蝕停止技術(shù)1、腐蝕停止與摻雜原子濃度的關(guān)系81相對腐蝕速率與摻雜原子濃度關(guān)系相對腐蝕速率與摻雜原子濃度關(guān)系822、電化學（陽極）腐蝕停止技術(shù)

用電化學腐蝕時，接硅的電極稱為工作電極，加正電壓；另一電極是負極，稱為輔助電極。由于在硅與溶液界面處的硅表面上堆積有空穴，故在外接電壓作用下，硅將不斷被腐蝕，并生成可溶性硅氧化物離開硅表面，實現(xiàn)被腐蝕的目的。2、電化學（陽極）腐蝕停止技術(shù)83N型硅的電化學腐蝕利用電化學腐蝕方法制備硅膜片

對于HF各向同性腐蝕液，由于重摻雜的硅襯底比生長在其上的輕摻雜硅層的電導率高，故重摻雜層能更快地被腐蝕掉。這項技術(shù)已成功地應(yīng)用于摻雜結(jié)構(gòu)的腐蝕成型。如圖所示，在重摻雜的N－Si襯底上，外延一層輕摻雜的N－Si，稱其為N－N結(jié)構(gòu)。用HF腐蝕液除去在輕摻雜N—Si層上的重摻雜部分，即可形成N—Si膜片。腐蝕條件為：電解液為5％HF水溶液；溶解液溫度為室溫；全暗室環(huán)境；正極接硅片，負極接鉑(Pt)片；正、負電極的間距為5cm；電壓為10V。N型硅的電化學腐蝕利用電化學腐蝕方法制備硅膜片84電化學腐蝕法制備硅膜片的過程電化學腐蝕法制備硅膜片的過程85開路電勢和鈍化電勢開路點勢：電流為０時的電勢。鈍化電勢：電流最大點處的電勢。應(yīng)用：當在Ｎ型硅和Ｐ型硅２個鈍化電勢之間加一個電壓時，就可以期望只使Ｐ型硅腐蝕，而Ｎ型硅不受到腐蝕。開路電勢和鈍化電勢開路點勢：電流為０時的電勢。86P型硅的電化學腐蝕P型硅的電化學腐蝕87陽極電流記錄特性陽極電流記錄特性88P-N結(jié)腐蝕停止4電極系統(tǒng)由于材料存在漏電，漏電流使P型硅在溶液中極化，當達到鈍化電勢時，腐蝕將提前停止在P型硅上，為避免此現(xiàn)象，采用4電極結(jié)構(gòu)。P-N結(jié)腐蝕停止4電極系統(tǒng)由于材料存在漏電，漏電流使P型硅89化學腐蝕與離子刻蝕硅晶片上，用光刻膠和掩模形成圖案，然后在腐蝕液中進行腐蝕；但對于高精度圖案，特別是側(cè)面垂直度要求嚴格的圖案，化學腐蝕法很難達到預期的效果。采用離子刻蝕，包括等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等干刻蝕法，便可實現(xiàn)較高的刻蝕精度?；瘜W腐蝕與離子刻蝕硅晶片上，用光刻膠和掩模形成圖案，然后在腐90離子刻蝕離子刻蝕是利用氣體的等離子體生成物或者濺射進行刻蝕的。刻蝕步驟如下：1、刻蝕用氣體在足夠強的電場作用下被電離，產(chǎn)生離子、電子及游離原子等刻蝕類物質(zhì)。2、刻蝕類物質(zhì)穿過停滯氣體層（氣體屏蔽層），擴散在被刻蝕晶片的表面上，并被表面吸收。3、隨后便產(chǎn)生化學反應(yīng)刻蝕，如同離子轟擊。反應(yīng)生成的揮發(fā)性化合物由真空泵抽出腔外。離子刻蝕離子刻蝕是利用氣體的等離子體生成物或者濺射進行刻蝕的91刻蝕結(jié)果的影響參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的參數(shù)很多，其中氣體成分是最主要的因素。以往常用氬氣，現(xiàn)在多用氟氯烷烴，其刻蝕速度比用氬氣快若干倍?？涛g結(jié)果的影響參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的參數(shù)很多，其中氣體成分是最主92等離子刻蝕的機理等離子體是一種攜帶大量自由電子和正離子的中性離子化氣體。激發(fā)等離子體一般采用射頻電源?；钚詺怏w在等離子體中被離子化后會產(chǎn)生活性中介子?；钚灾薪樽幽軌蜣Z擊側(cè)壁和正表面，而帶電離子只能轟擊基底的正表面。等離子刻蝕的機理等離子體是一種攜帶大量自由93等離子體刻蝕裝置原理圖2片弧狀電極結(jié)高頻電源（RF），被刻蝕的試件放在托架上，容器內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體如箭頭所指方向擴入被刻蝕試件周圍進行刻蝕，反應(yīng)生成的揮發(fā)物由真空系統(tǒng)抽出。等離子體刻蝕裝置原理圖2片弧狀電極結(jié)高頻電源（RF），被刻蝕94Ｆ基等離子體刻蝕采用CF4惰性氣體產(chǎn)生等離子體，有多種分解生成物存在（如圖）。其中被激活的F（氟）有極強的化學活性，可以和處在等離子體中的物質(zhì)如Si,SiO2及Si3N4等發(fā)生如下反應(yīng)進行刻蝕：Ｆ基等離子體刻蝕采用CF4惰性氣體產(chǎn)生等離子體，有多種95反應(yīng)離子刻蝕裝置原理圖被刻蝕的試件放在陰極板上，高頻電源（RF）作為陰極電源，使充入的惰性氣體離子化。極板冷卻形式為循環(huán)水冷。其刻蝕原理為：反應(yīng)濺射＋等離子體化學反應(yīng)，即既有離子的轟擊效應(yīng)，又有活性游離基與被刻蝕試件的化學反應(yīng)，應(yīng)此可以達到較高的刻蝕速率，并能得到較垂直的側(cè)面輪廓。反應(yīng)離子刻蝕裝置原理圖被刻蝕的試件放在陰極板上，高頻電源（R96幾種刻蝕方法的比較幾種刻蝕方法的比較97表面微加工技術(shù)1、薄膜生成技術(shù)a)物理氣相淀積技術(shù)（PVD）

真空蒸鍍、濺射成膜（直流濺射、射頻濺射）。b)化學氣相淀積技術(shù)（CVD）

常壓化學氣相淀積法、低壓化學氣相淀積法、等離子強化化學氣相淀積法。2、犧牲層技術(shù)表面微加工技術(shù)1、薄膜生成技術(shù)98薄膜生成技術(shù)在微機電器件的制作中，常采用蒸鍍和淀積等方法，在硅襯底的表面上制作各種薄膜，并和硅襯底構(gòu)成一個復合的整體。這些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金剛石膜等。可作為敏感膜；作為介質(zhì)膜起絕緣作用；作為襯墊層起尺寸控制作用；也可以用作起耐腐蝕、耐磨損的作用。薄膜生成技術(shù)在微機電器件的制作中，常采用蒸鍍和淀積等方法，在99物理氣相淀積和化學氣相淀積是在襯底材料上制作薄膜的2種常用的工藝技術(shù)。物理氣相淀積：

是利用蒸鍍和濺射的方法使另一種物質(zhì)在襯底材料表面上成膜?；瘜W氣相淀積：

是使氣體與襯底材料本身在加熱的表面上進行化學反應(yīng)，使另一種物質(zhì)在表面上成膜。物理氣相淀積和化學氣相淀積是在襯底材料上制作薄膜的2種常用的100物理氣相淀積技術(shù)真空蒸鍍

在真空室內(nèi)有一鎢絲繞制的螺旋形加熱器，待蒸發(fā)的金屬絲掛在鎢絲上，當抽到真空度達0.0133Pa以上時，逐漸加大電流，是金屬絲熔化、蒸發(fā)。由于真空室內(nèi)殘留的氣體分子很少，故金屬原子不經(jīng)碰撞即可到達襯底表面，凝聚成膜。物理氣相淀積技術(shù)真空蒸鍍101濺射成膜1、直流濺射采用低真空室，高壓直流電（通常1000Ｖ）。低壓惰性氣體（氬氣）電離形成等離子體，等離子體中的正離子以高能量轟擊靶面。使靶上待濺射物質(zhì)的原子離開靶面，淀積到襯底表面，形成薄膜。直流濺射能制出金屬膜和化合物膜，但不能濺射介質(zhì)膜。濺射成膜1、直流濺射102２、射頻濺射特點：電源采用高頻(5～30MHz)交流電壓(1～2KV）。電子的快速運動，使靶面上形成負電荷積累，形成一個自建磁場，磁場使正離子運動速度加劇，并以較大能量轟擊靶面，形成靶材原子的濺射淀積而成膜不僅能濺射合金薄膜，也能濺射介質(zhì)膜。２、射頻濺射特點：103帶附加磁場的射頻濺射裝置特點：附加磁場的作用使靶和工作臺之間輝光放電，使帶電粒子做螺旋運動，提高了電子與氣體分子的碰撞機率和速率，從而提高了濺射薄膜的均勻性。帶附加磁場的射頻濺射裝置特點：104化學氣相淀積技術(shù)化學氣相淀積法就是利用高溫條件下的化學反應(yīng)生成薄膜。主要的生成反應(yīng)過程為：

使含有待淀積材料的化合物升華為氣體，與另一種載體氣體或化合物在一個高溫反應(yīng)室中進行反應(yīng)，生成固態(tài)的淀積物質(zhì)，使之淀積在加熱至高溫的襯底上，生成薄膜。反應(yīng)生成的副產(chǎn)品氣體，由表面脫離，擴散逸出?；瘜W氣相淀積技術(shù)化學氣相淀積法就是利用高溫條件下的化學反應(yīng)生105化學氣相淀積方法1、常壓化學氣相淀積法

該方法是在大氣壓的反應(yīng)室內(nèi)進行化學反應(yīng)，通常反應(yīng)溫度為500～1200，反應(yīng)氣體A和B的分子中含有待淀積物質(zhì)的分子。經(jīng)混合、加熱后，兩種氣體發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生單質(zhì)或化合物，淀積到襯底上，形成薄膜?；瘜W氣相淀積方法1、常壓化學氣相淀積法106

2、低壓化學氣相淀積法工作原理與常壓CVD法相同，只是在反應(yīng)室內(nèi)保持低壓強（約1000～10Pa），而不是大氣壓。壓強的降低意味著減少載流氣體，而生成薄膜所必需的反應(yīng)氣體量和壓強與大氣壓時相同，從而使反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體相對增加，有利于形成更加均勻的薄膜。2、低壓化學氣相淀積法工作原理與常壓CVD法相同，只是在1073、等離子強化化學氣相淀積法原理：利用直流或射頻高壓電使通入反應(yīng)室的氣體（氧氣）電離，而等離子化，使之輝光放電。借助于氣體電離、熱效應(yīng)及光化學反應(yīng)等過程，促進淀積反應(yīng)和薄膜生成。特點：反應(yīng)只需在較低的溫度（350～400）下進行。如：3、等離子強化化學氣相淀積法原理：利用直流或射頻高壓電使通108等離子強化CVD環(huán)形裝置及原理該裝置不需要高壓電極和靶，設(shè)備較簡單，介質(zhì)膜Si3N4常用這種裝置制造。射頻電壓經(jīng)一對射頻電極通過電容耦合加到反應(yīng)室。反應(yīng)過程中，反應(yīng)氣體為硅烷（SiH4）和聯(lián)氨（N2H4）。氣體放電時產(chǎn)生的高溫使氣體分解，化學反應(yīng)后生成的Si3N4淀積在襯底上形成薄膜。等離子強化CVD環(huán)形裝置及原理該裝置不需要高壓電極和靶，設(shè)109外延工藝外延工藝是獲得硅單晶膜的一種化學氣相淀積工藝。工藝過程：以硅單晶片本身為襯底，以含硅化合物如硅烷（SiH4）或四氯化硅（SiCl4）等分解或用氫氣還原，生成單質(zhì)硅淀積在硅襯底上。淀積過程在外延反應(yīng)爐中進行。如：外延工藝外延工藝110犧牲層技術(shù)在體型結(jié)構(gòu)的表面上，為了獲得有空腔和可活動的微結(jié)構(gòu)，常采用“犧牲層”技術(shù)。即在形成空腔結(jié)構(gòu)過程中，將2層薄膜中的下層薄膜設(shè)法腐蝕掉，便可得到上層薄膜，并形成一個空腔。被腐蝕掉的下層薄膜在形成空腔過程中，只起分離層作用，故稱為犧牲層。犧牲層技術(shù)在體型結(jié)構(gòu)的表面上，為了獲得有空腔和可活動的微結(jié)構(gòu)111多晶硅懸臂梁的工藝成型多晶硅懸臂梁的工藝成型112硅梁制造過程硅梁制造過程113H型諧振梁式壓力傳感器芯片H型諧振梁式壓力傳感器芯片114LIGA

技術(shù)和SLIGA技術(shù)LIGA技術(shù)（德國喀爾斯魯厄核研究中心最先發(fā)明）

是德國斯圖加特微機械研究所開發(fā)的一種很有特色的微機械加工技術(shù)，它由X光深度同步輻射光刻、電鑄(鍍)制模和注(壓)模復制三個主要工藝步驟組成。特點：

可以用來制作具有較大高寬比的三維立體結(jié)構(gòu)，不僅可以制造硅結(jié)構(gòu)，而且還可以加工各種金屬、合金、陶瓷、塑料及聚合物等材料。SLIGA技術(shù)：

LIGA技術(shù)的局限性是，只能制作沒有活動件的3維微結(jié)構(gòu)。為了能制出含有可活動件的3維微結(jié)構(gòu)，把犧牲層技術(shù)應(yīng)用于LIGA技術(shù)中，形成了SLIGA技術(shù)。LIGA技術(shù)和SLIGA技術(shù)LIGA技術(shù)（德國喀爾斯魯115LIGA光刻機LIGA光刻機116LIGA工藝中的主要制作步驟LIGA工藝中的主要制作步驟117LIGA制備工藝應(yīng)用實例LIGA制備工藝應(yīng)用實例118X光深度同步輻射光刻的形成深度同步輻射光刻是LIGA技術(shù)的核心工藝，只有刻蝕出比較理想的抗蝕劑圖形，才能保證后續(xù)工藝步驟的質(zhì)量。X光深度同步輻射光刻的形成深度同步輻射光刻是LIGA技119利用電鑄工藝成型金屬微結(jié)構(gòu)電鑄工藝就是在上述的初級模板中淀積需要的金屬（如Ni、Au、Ag、Pt或合金），便可制成與模具互為凹凸的3維微結(jié)構(gòu)。它可以是最終產(chǎn)品，或作為注塑模。利用電鑄工藝成型金屬微結(jié)構(gòu)電鑄工藝就是在上述的初級模板120注塑模的形成注塑則是用電鑄得到的金屬微結(jié)構(gòu)作為2次模板。模板制備如圖，如在模板中注入塑性材料，便可以得到塑性微結(jié)構(gòu)件。注塑模的形成注塑則是用電鑄得到的金121SLIGA技術(shù)制作活動微結(jié)構(gòu)的基本工藝SLIGA技術(shù)制作活動微結(jié)構(gòu)的基本工藝122特種精密機械制造技術(shù)由于MEMS器件和結(jié)構(gòu)的復雜性，使得對加工工藝的要求干變?nèi)f化，前面幾節(jié)介紹的微加工工藝還不能完全滿足加工需要。因此，世界各國都在發(fā)展各種新的微加工工藝，其中也包括將傳統(tǒng)的加工工藝進行改進后用于微機械加工。下面對較常見的部分微加工工藝作簡要的介紹。特種精密機械制造技術(shù)由于MEMS器件和結(jié)構(gòu)的復雜性，使得對加123電火花加工工藝電火花加工(EIectricalDischargeMachining，EDM)是加工金屬、合金和其他導電材料的有效工藝手段，其工作原理是通過電火花融化和蒸發(fā)被加工的金屬材料。加工電極端面的形狀可以通過EDM反刻在被加工工件上。另外也可以通過加工電極或工件的三維運動．加工出空間曲面等復雜結(jié)構(gòu)，這時需要采用微型加工電極?？紤]到加工電極在加工過程中會有損耗而影響加工精度，人們又發(fā)明了線放電磨削(WireEIectrodischargeGrinding,WEDG)工藝。該工藝是將加工電極由滑動的金屬細線代替，使整條細線上的各個部位均勻消耗，從而大大減小電極尺寸變化。電火花加工工藝電火花加工(EIectricalDischa124EDM反刻工藝EDM反刻工藝125微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件126激光精細加工激光精細加工是利用強聚焦激光高溫加熱使被加工材料產(chǎn)生化學反應(yīng)而被腐蝕、蒸發(fā)。其最大優(yōu)點是可以通過移動光束實現(xiàn)直接加工，而無需采用光刻工藝。激光微細加工系統(tǒng)可對硅、塑料、玻璃、陶瓷、金屬薄膜等多種材料進行加工，精度可以做到微米級。通常激光精細加工系統(tǒng)包括有紫外或可見光激光器、精確的光路系統(tǒng)、運動調(diào)節(jié)平臺等。激光精細加工激光精細加工是利用強聚焦激光高溫加熱使被加工材料127激光在銅上刻字激光在銅上刻字128激光在硅片或陶瓷上打孔激光在硅片或陶瓷上打孔129固相鍵合技術(shù)固相鍵合技術(shù)是利用各種接合工藝，把若干具有平面結(jié)構(gòu)的零件重疊接合在一起，構(gòu)成三維微結(jié)構(gòu)部件。常用的接合方法有：陽極鍵合、熱熔鍵合、共熔鍵合、低溫玻璃鍵合及冷壓焊接等。常用的互連材料有：金屬和硅、玻璃和硅、硅和硅及金屬和金屬。固相鍵合技術(shù)固相鍵合技術(shù)是利用各種接合工藝，把若干具有平面結(jié)130連接中應(yīng)滿足的技術(shù)要求1、殘余熱應(yīng)力盡可能??；2、實現(xiàn)機械解耦，以防止外界應(yīng)力干擾；3、足夠的機械強度和密封性；4、良好的電絕緣性。連接中應(yīng)滿足的技術(shù)要求1、殘余熱應(yīng)力盡可能??；131玻璃和硅的熱膨脹特性玻璃有多種，其膨脹系數(shù)各異，為了避免互連后產(chǎn)生熱應(yīng)力，必須選擇膨脹系數(shù)相互接近的進行匹配連接。由圖可知，其中派雷克司（pyrex）硼硅酸玻璃7740號和1729號的膨脹系數(shù)與硅最接近，故最適宜與硅鍵合。玻璃和硅的熱膨脹特性玻璃有多種，其膨脹系數(shù)各132幾種材料的熱膨脹特性幾種材料的熱膨脹特性133鍵合方法1、陽極鍵合2、Si－Si直接鍵合3、玻璃封接鍵合4、金屬共熔鍵合鍵合方法1、陽極鍵合1341、陽極鍵合陽極鍵合又稱為靜電鍵合或場助鍵合。陽極鍵合技術(shù)可將硅與玻璃、金屬及合金在靜電場作用下鍵合在一起，中間無需任何粘結(jié)劑。鍵合界面具有良好的氣密性和長期穩(wěn)定性。陽極鍵合技術(shù)已被廣泛使用。1、陽極鍵合陽極鍵合又稱為靜電鍵合或場助鍵合。135硅與玻璃的陽極鍵合原理硅與玻璃的鍵合可在大氣或真空環(huán)境下完成。鍵合溫度為180～500，接近于玻璃的退火點，但是在玻璃的熔點以下。硅與玻璃的陽極鍵合原理硅與玻璃的鍵合可在大氣或真空環(huán)境下完成136硅與玻璃陽極鍵合的過程硅與玻璃陽極鍵合的過程137陽極鍵合完成的判定在陽極鍵合的過程中，加上電壓后，即可有一個電流脈沖產(chǎn)生；稍后，減流幾乎降為0，表明此時鍵合已經(jīng)完成。所以，可通過觀察外電路中電流的變化，判斷鍵合是否已經(jīng)完成。陽極鍵合完成的判定在陽極鍵合的過程中，加上電138硅－玻璃－硅陽極鍵合硅和硅的互連，也能用陽極鍵合實現(xiàn)，但在2硅片間需加入中間夾層。常用的中間夾層材料為硼硅酸玻璃（）鍵合過程：先緩慢升高加在3層結(jié)構(gòu)上的直流電壓，并控制電流密的在10A／㎡，鍵合溫度穩(wěn)定在450～550。隨著電壓不斷升高，電流將相應(yīng)下降。電壓的最大值達50V時，即可實現(xiàn)良好的封接。鍵合過程繼續(xù)保持5min左右，關(guān)閉加熱器，鍵合完成。硅－玻璃－硅陽極鍵合硅和硅的互連，也能用陽極鍵合實現(xiàn)，但在2139硅電容式絕壓微傳感器采用硅－硅陽極鍵合技術(shù)，濺射在硅膜片襯底上7740玻璃膜的厚度，相當于電容器的空間縫隙。鍵合時硅接正電極，負極接在覆有玻璃膜的硅片上。﹟硅電容式絕壓微傳感器采用硅－硅陽極鍵合技術(shù)，濺射在硅膜片襯底140硅電容式差壓微傳感器采用陽極鍵合成整體的3層結(jié)構(gòu)。鍵合時硅接正電極，玻璃接負電極。硅電容式差壓微傳感器采用陽極鍵合成整體的3層結(jié)構(gòu)。鍵合時硅接1412、Si－Si直接鍵合2塊硅片通過高溫處理可直接鍵合在一起，中間無需任何粘結(jié)劑和夾層，也無需外加輔助電場。這種技術(shù)是將硅晶片加熱至1000度以上，使其處于熔融狀態(tài)，分子力導致兩硅片鍵合在一起。它比采用陽極鍵合優(yōu)越，因為它可以獲得Si－Si鍵合界面，實現(xiàn)材料的熱膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)等的最佳配比，得到硅一體化結(jié)構(gòu)。其鍵合強度可達到硅或絕緣體自身的強度量值，且氣密性能好。2、Si－Si直接鍵合2塊硅片通過高溫處理可直接鍵合在一起142硅－硅直接鍵合及表面處理過程硅－硅直接鍵合的關(guān)鍵是硅表面的活化處理、表面光潔度、平整度以及在工藝過程中的清潔度。Si-Si直接鍵合過程表面處理及清洗過程硅－硅直接鍵合及表面處理過程硅－硅直接鍵合的關(guān)鍵是硅表面的活143Si－SiO2SiO2－Si鍵合示意圖Si－SiO2SiO2－Si鍵合示意圖144Si－Si鍵合真空設(shè)備簡圖樣件經(jīng)表面處理和清洗后放入真空室內(nèi)，抽出殘余氣體，通入氬氣（Ar），氬離子束以0.1Pa的壓力成角射向樣件表面，腐蝕時間為1min，腐蝕深度約4nm。推動推桿以1MPa壓力將樣件壓并在一起，即完成直接鍵合。Si－Si鍵合真空設(shè)備簡圖樣件經(jīng)表面處理和清洗后放入真空室145硅－硅直接鍵合結(jié)合面狀況硅－硅直接鍵合結(jié)合面狀況1463、玻璃封接鍵合用于封接的玻璃多為粉狀，通常稱為玻璃料。它們由多種不同特征的金屬氧化物組合而成。不同比例的組成成分，熱膨脹系數(shù)不同。若在他們中添加有機粘合劑，便形成糊狀體，且易用絲網(wǎng)印刷法形成需要的封接圖案，稱為封接玻璃或釬料玻璃。3、玻璃封接鍵合用于封接的玻璃多為粉狀，通常稱為玻璃料。它們147玻璃封接工藝示意圖首先對封接表面進行潔凈處理，然后將純度高、含納低及超精細的玻璃粉懸浮在均質(zhì)的酒精溶液中，并設(shè)法采用絲網(wǎng)印制、噴鍍、淀積或擠壓等技術(shù)，將其置于一對被鍵合的界面間實現(xiàn)封接。封接溫度為415～650，同時施加壓力7～700kPa。玻璃封接工藝示意圖首先對封接表面進行潔凈處理，然后將純度高、148玻璃封接裝置示意圖玻璃封接壓阻式差壓傳感器玻璃封接裝置示意圖玻璃封接壓阻式差壓傳感器149金屬共熔鍵合金屬共熔鍵合是指在被鍵合的一對表面間夾上一層金屬材料膜，形成3層結(jié)構(gòu)，然后在適當?shù)臏囟群蛪毫ο聦崿F(xiàn)熔接。共熔鍵合常用的共熔材料是，金－硅和鋁－硅等。金－硅共熔的溫度為360～400，而鋁－硅共熔的溫度接近600。金屬共熔鍵合金屬共熔鍵合是指在被鍵合的一對表面間夾上一層金屬150共熔鍵合的4種接合方式共熔鍵合的4種接合方式151冷壓焊鍵合冷壓焊鍵合工藝，是指在室溫、真空條件下，施加適當?shù)膲毫Γ瓿杉c件之間的接合。冷壓焊鍵合冷壓焊鍵合工藝，是指在室溫、真空條件下，施加適當?shù)?52冷壓焊鍵合原理在壓焊前，先在硅片表面上淀積一層SiO2，再在SiO2上面分別淀積鈦膜和金膜，便可在室溫、真空及加壓條件下，實現(xiàn)硅－金屬－硅的鍵合。冷壓焊鍵合原理在壓焊前，先在硅片表面上淀積一層SiO2，再在153各種鍵合方法的比較各種鍵合方法的比較154第二章微機電系統(tǒng)功能材料第二章微機電系統(tǒng)功能材料155MEMS常用材料半導體材料：硅及其化合物等。電致伸縮材料：壓電陶瓷、氧化鋅、石英等。磁致伸縮材料：鎳鐵合金等。形狀記憶材料：鎳鈦合金等。其它：特殊功能聚合物、復合材料及人工構(gòu)造薄膜材料、電流變液或磁流變液材料、納米相材料等。選用依據(jù)及實例：具體設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)微型元器件的功能，選用能獲取系統(tǒng)性能的材料。例如、對于起制動作用的器件，應(yīng)選用壓電陶瓷、石英、鎳鈦記憶合金等材料；用做器件和襯底的絕緣層，則可選用硅的氧化層或等。MEMS常用材料半導體材料：硅及其化156硅及其化合物材料1、單晶硅；2、多晶硅；3、硅－藍寶石；4、化合物半導體材料；5、SiC薄膜材料。硅及其化合物材料1、單晶硅；157導體、半導體及絕緣體導體：電阻率半導體：電阻率絕緣體：電阻率導體、半導體及絕緣體導體：電阻率158常用材料的電阻率常用材料的電阻率159硅材料特性1、硅在集成電子線路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是利用硅的機械特性和電學特性。2、特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其具有各項異性，通過摻雜獲得的p型硅和n型硅具有不同的導電性能和機械性能。3、儲量豐富，成本低；材質(zhì)的內(nèi)含雜質(zhì)極少，易于提純，純型硅的雜質(zhì)含量可降至十億分之一，因而本身的內(nèi)耗少，力學性能穩(wěn)定。4、硅材料質(zhì)量輕，密度是不銹鋼的1／3.5。5、彎曲強度高，為不銹鋼的3.5倍。硅材料特性1、硅在集成電子線路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)1606、硅的熔點高（1400），約為鋁的兩倍，高熔點使其具有良好的高溫穩(wěn)定性。7、硅的熱膨脹系數(shù)比鋼小8倍，比鋁小10倍。8、具有很好的導熱性，是不銹鋼的5倍。9、機械品質(zhì)因數(shù)可高達，硅沒有機械遲滯性能，是理想的傳感器和致動器材料。10、與微電子集成電路工藝兼容，易與微機械和微電子線路集成；便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。6、硅的熔點高（1400），約為鋁的兩倍，高熔點使其具有161硅的晶體結(jié)構(gòu)對于硅的原子，硅的晶格幾何結(jié)構(gòu)并不均勻，但是硅基本上是面心立方體晶胞。典型的面心立方單位晶胞如圖所示。硅的晶體結(jié)構(gòu)對于硅的原子，硅的晶格幾何結(jié)構(gòu)并不均勻，但是硅162一個硅的單位晶胞有18個原子，其中8個原子在角部，6個原子在面上，4個原子在內(nèi)部。一個硅的單位晶胞有18個原子，其中8個原子在角部，6個原子在163硅晶胞的主平面前平面（100）、對角面（110）、傾斜面（111）硅晶胞的主平面前平面（100）、對角面（11164三個主平面（晶面）上的硅原子三個主平面（晶面）上的硅原子165硅材料的各向異性（111）平面上相鄰原子間的晶格距離最短，使該平面的原子間的吸引力大于其它兩個平面。同時，該平面包含單位晶胞面心的四個原子的三個，因此，該平面晶體生長最慢，刻蝕等加工過程進行的也最慢。硅材料的各向異性（111）平面上相鄰原子間的晶166單晶硅的生產(chǎn)生產(chǎn)單晶硅盤或“硅片”的步驟如下：

原材料的準備和清理；高純和多晶硅的生產(chǎn)；單晶硅的生長；單晶硅的機械加工。硅原材料的制取原料硅可以由原材料石英砂進行還原而制得。這一提取過程在用碳作電極的電弧爐中進行，可以得到純度為98％的“冶金級硅”。單晶硅的生產(chǎn)生產(chǎn)單晶硅盤或“硅片”的步167單晶硅的提純

經(jīng)過連續(xù)分餾、逆向反應(yīng)及氣化分離，可以得到固態(tài)的“電子級硅”，其純度可達:1，它可以作為單晶硅生產(chǎn)的原料。單晶硅的生長或“拉制”

常用方法：Czochralski(簡稱為CZ法)和懸浮區(qū)法。單晶硅的提純168硅CZ法提純原理硅CZ法提純原理169單晶硅的機械加工單晶硅的機械加工170硅的摻雜硅的摻雜171N型硅和P型硅－半導體材料P型硅是在純硅材料中加入了硼（B）原子：由于B原子外面帶有3個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生空穴。N型硅是在純硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于硅原子外面為帶有4個正電荷，而As或P原子外面帶有5個正電荷，這樣當兩種原子結(jié)合到一起形成共價鍵時，產(chǎn)生游離電子。摻雜破壞的純硅材料電子的平衡，促使電子流動加劇，導電性能得到提高。摻雜濃度越高，電阻率越低，越容易導電，N型硅和P型硅－半導體材料P型硅是在純硅材料中加入了硼（172微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件173硅材料對溫度的敏感性硅材料對溫度的敏感性174微機電系統(tǒng)功能材料、微機械制造技術(shù)課件175多晶硅多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是無序的，不同晶粒有不同的單晶取向，而每一晶粒內(nèi)部有單晶的特征，因而在熱分析和結(jié)構(gòu)分析時可看作各向同性材料。晶粒與晶粒之間的部位叫晶界，晶界對其電特性的影響可以通過控制摻雜原子濃度來調(diào)節(jié)?，F(xiàn)就多晶硅的電阻率、電阻溫度系數(shù)及電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與摻雜原子濃度的關(guān)系論述如下。多晶硅多晶硅是許多單晶(晶粒)的聚合物。這些晶粒的排列是176電阻率隨摻B原子濃度的關(guān)系多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別是在低摻雜原子濃度下，多晶硅電阻率迅速提高。隨摻雜原子濃度不同，其電阻率可在較寬數(shù)值范圍內(nèi)變化。電阻率隨摻B原子濃度的關(guān)系多晶硅膜的電阻率比單晶硅的高，特別177電阻溫度特性隨摻雜原子濃度的關(guān)系多晶硅電阻隨溫度的變化特性電阻溫度系數(shù)隨摻雜原子濃度的關(guān)系電阻溫度特性隨摻雜原子濃度的關(guān)系多晶硅電阻隨溫度的變化特性電178多晶硅電阻應(yīng)變靈敏特性壓縮時，電阻下降，拉伸時，電阻上升。電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)隨摻雜濃度的增加而略有降低。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏特性壓縮時，電阻下降，拉伸時，電阻上升。179多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與

摻雜原子濃度的關(guān)系由圖可知，電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)隨摻雜濃度的增加而略有下降。其中G1是縱向應(yīng)變靈敏系數(shù)，最大值約為金屬應(yīng)變計最大值的30倍，為單晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)最大值的1／3。Gt為橫向應(yīng)變靈敏系數(shù)，其值隨摻雜濃度出現(xiàn)正負變化，故一般都不采用。多晶硅電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)與

摻雜原180多晶硅的特點1、具有較寬的工作溫度范圍（－60度～＋300度）；2、可調(diào)的電阻率特性；3、可調(diào)的的溫度系數(shù)；4、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)及容易調(diào)整。5、與單晶硅壓阻膜相比，多晶硅壓阻膜可以在不同的材料襯底上制作(如在介電體),而且可以更有效地抑制溫度漂移，有利于長期穩(wěn)定性的實現(xiàn)。多晶硅的特點1、具有較寬的工作溫度范圍（－60度～＋300度181多晶硅敏感電阻壓力傳感器多晶硅敏感電阻壓力傳感器182多晶硅壓阻膜壓力傳感器輸出特性多晶硅壓阻膜壓力傳感器輸出特性183硅－藍寶石（SOS）硅－藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體生長在藍寶石（）襯底上形成的。硅晶體可以認為是藍寶石的延伸部分，二者構(gòu)成硅－藍寶石SOS晶片。硅－藍寶石（SOS）硅－藍寶石材料是通過外延生長技術(shù)將硅晶體184硅－藍寶石特點1、藍寶石材料為絕緣體；2、藍寶石材料的遲滯和蠕變小到可以忽略不計；3、藍寶石化學穩(wěn)定性好，耐腐蝕，抗輻射性能強；4、藍寶石機械強度高。5、硅－藍寶石材料又脆又硬，其硬度僅次于金剛石，制作工藝技術(shù)比較復雜。

（所以利用硅－藍寶石可以制作出具有耐高溫、耐腐蝕及抗輻射等優(yōu)越性能的傳感器和電路）硅－藍寶石特點1、藍寶石材料為絕緣體；185

SiC薄膜材料SiC是一種特殊環(huán)境下使用的化合物半導體。它由碳原子和硅原子組成，利用離子注入摻雜技術(shù)將碳原子注入單晶硅內(nèi)，便可以獲得優(yōu)質(zhì)的立方晶體結(jié)構(gòu)的SiC。特點：具有優(yōu)異的物理、化學及電學性能，高強度（是單晶硅的3倍）、大剛度、內(nèi)部的殘余應(yīng)力很低，較高的壓阻系數(shù)，熔點高（2300）。因此，SiC材料能在高溫下耐腐蝕、抗輻射，非常適合于高溫、惡劣環(huán)境下工作的微機電系統(tǒng)的選擇使用。由于SiC單晶材料成本高、硬度大及加工難度大，所以以硅單晶片為襯底的SiC薄膜就成為研究和使用的理想選擇。與單晶SiC薄膜相比，多晶SiC的適用性更廣。SiC薄膜材料SiC是一種特殊環(huán)186壓電材料壓電效應(yīng)壓電材料的主要屬性是，其彈性效應(yīng)和電極化效應(yīng)在機械應(yīng)力或電場（電壓）作用下將發(fā)生相互耦合，也就是應(yīng)力－應(yīng)變－電壓之間存在內(nèi)在聯(lián)系。正壓電效應(yīng)在機械應(yīng)力作用下，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。逆壓電效應(yīng)在電壓作用下，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。壓電材料壓電效應(yīng)187

壓電效應(yīng)的機理分析當壓電材料在外力作用下產(chǎn)生變形時，會引起它內(nèi)部正負電荷的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電極化，使兩個相對表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，外力消失，晶體又恢復不帶電的原始狀態(tài)，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。當對壓電材料施加電場作用時，會引起材料內(nèi)部正負電荷中心的相對位移，導致材料變形，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的機理分析當壓電材料在外力作用下產(chǎn)生188壓電材料的特點及應(yīng)用壓電材料可以大塊使用也可以小塊分散使用，利用正壓電效應(yīng)感知外界的機械能，可以制作微傳感器；利用逆壓電效應(yīng)作為驅(qū)動力，可以制作壓電微執(zhí)行器。由于壓電材料的的變形量十分微小，一般僅在幾個nm/v，單個壓電元件的變形量約為總長度的0.1%～0.2％，這在需要精密定位的微操作器中很有意義。壓電材料作驅(qū)動器時，它的激勵功率小，響應(yīng)速度較快，是形狀記憶合金的一萬倍。壓電器件可做得很薄，且組合靈活。壓電材料的特點及應(yīng)用壓電材料可以大塊使用也可以小189常用壓電材料常用壓電材料1901、石英晶體a)石英晶體是絕緣體，在其表面沉積金屬電極引線，不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象；b)材質(zhì)純、內(nèi)耗低及功耗小、機械品質(zhì)因數(shù)的理想值高，遲滯和蠕變極??；c）材質(zhì)輕，密度為不銹鋼的0.3倍，彎曲強度為不銹鋼的4倍；d）主要用來制造諧振器、振蕩器及濾波器等。1、石英晶體a)石英晶體是絕緣體，在其表面沉積金屬電極引線，191石英的化學組成為SiC2，SiC2的晶體形式即石英晶體。石英晶體的理想形狀為六角錐體，Z軸為光軸、Y軸為機械軸、X軸為電軸。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。石英晶體又是壓電材料，其壓電效應(yīng)與晶向有關(guān)。石英的化學組成為SiC2，SiC2的晶體形式即石英晶體。石英1922、壓電陶瓷陶瓷材料是以化學合成物質(zhì)為原材料，經(jīng)過精密的成型燒結(jié)而成。燒結(jié)前，嚴格控制合成物質(zhì)的組份比，便可以研制成適合多種用途的功能陶瓷，如壓電陶瓷（電致伸縮材料）、半導體陶瓷、導體陶瓷、磁性陶瓷及多孔陶瓷等。壓電陶瓷是陶瓷經(jīng)過電極化之后形成的，電極化之后的壓電陶瓷為各向異性的多晶體。2、壓電陶瓷陶瓷材料是以化學合成物質(zhì)為原材料，經(jīng)過精密的成型193

壓電陶瓷的特點用于致動器和傳感器元件的壓電陶瓷，具有價廉、質(zhì)輕小巧、易于與基體結(jié)合、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。此外，它對結(jié)構(gòu)的動力學特性的影響很小，并且通過分布排列可實現(xiàn)大規(guī)模的結(jié)構(gòu)驅(qū)動，因而具有較強的驅(qū)動能力和控制作用。由于壓電陶瓷具有微小位移且精度高這一突出優(yōu)勢，適應(yīng)微機械、微機器人微小位移控制的要求，用作壓電驅(qū)動器是比較理想的。壓電陶瓷的特點用于致動器和傳感器元件的壓電194常用的壓電陶瓷

鈦酸鋇（BT）、鋯鈦酸鉛（BZT）、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛（PN）、鈮酸鉛鋇鋰（PBLN）、改性鈦酸鉛等。壓電陶瓷的極限應(yīng)變小，目前還不能作為結(jié)構(gòu)材料。常用的壓電陶瓷195磁致伸縮材料某些鐵磁性合金，在外磁場作用下，其體內(nèi)自發(fā)磁化形成的各個磁疇的磁化方向均轉(zhuǎn)向外磁場的方向，并成規(guī)則排列而磁化，使體內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變，伸縮量一般很小，約為數(shù)量級。這種由于磁而產(chǎn)生應(yīng)變的現(xiàn)象稱為正磁致伸縮效應(yīng)；反之，磁化的鐵磁體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，其磁疇的結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化，使材料體內(nèi)磁通密度發(fā)生變化，形成逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮材料在磁場中的伸縮量很小，可以用在微機電系統(tǒng)中作為驅(qū)動器（磁－機轉(zhuǎn)換）和接收器（機－磁轉(zhuǎn)換）等。磁致伸縮材料某些鐵磁性合金，在外磁場作用下，其體內(nèi)自發(fā)磁化形196磁致伸縮換能器為了獲得由驅(qū)動器向接收器的最佳能量傳遞，磁致伸縮效應(yīng)器件通常設(shè)計在其諧振點上工作，因此，設(shè)計這類器件主要考慮其振動特性。磁致伸縮換能器工作原理如圖所示。磁致伸縮換能器為了獲得由驅(qū)動器向接收器的最佳能量傳遞，磁致伸197磁致伸縮材料的特點

具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，即當磁化飽和時，材料沿磁化方向的伸縮比較大，其值約為微應(yīng)變。常用磁致伸縮材料

純鎳（Ni）和含68％Ni的鐵鎳合金，含13％Al的鐵鋁磁性合金。鏑鋱鐵合金（Terfenol-D）是最理想的磁致伸縮材料，其在磁場中的伸縮量是其它磁致伸縮材料伸縮量的40倍，并且有較快的響應(yīng)速度。磁致伸縮材料的特點198形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）是一種具有記憶功能的金屬材料，即在制作元件時，賦予它一定的形狀。在較低溫度下，它會改變這種形狀；當溫度升高到原來溫度時，它又會恢復到原來形狀。形狀記憶特性的本質(zhì)是材料的熱彈性通過馬氏體相變，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能?？梢酝ㄟ^電流加熱的方式，形狀記憶合金能發(fā)出很大的力，適用于制作制動器或驅(qū)動器，如微閥、微泵等。形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）是一種具有記憶功能的金屬材199形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變特性熱彈性相變與溫度、應(yīng)力及應(yīng)變有關(guān)。在低溫或高溫狀況下，卸載過程結(jié)束時，均無殘余的非彈性應(yīng)變，而呈現(xiàn)出完全彈性。形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變特性熱彈性相變與溫度、應(yīng)力及應(yīng)變有關(guān)。200形狀記憶合金的特點形狀記憶合金的記憶性隨合金材料的不同而不同。最大可恢復應(yīng)變的記憶上限為15％，即形狀的變形程度達到原形的的15％時，還能“記住”原先的的外形，只要通過加熱，形狀即可恢復。超過15％時，“記憶”將不再現(xiàn)。形狀記憶合金的電阻率較大，故常采用電流加熱方式。在恢復其“記憶”形狀的過程中，形狀記憶合金能發(fā)出很大的力，適用于制作致動器或驅(qū)動器。如微泵、微閥等由于形狀記憶合金的動作依靠加熱和冷卻，因此，形狀記憶合金的驅(qū)動器的響應(yīng)時間比壓電材料驅(qū)動器長，但壓電材料最大可恢復應(yīng)變只有1％。形狀記憶合金的的最大缺點是要有熱源，長期使用會產(chǎn)生蠕變，因此，使用時要注意壽命期限。形狀記憶合金的特點形狀記憶合金的記憶性隨合金材201

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