第七讲 MEMS.ppt

第七章主要内容;MEMS对材料的要求;MEMS材料;;衬底材料的要求;一、硅材料;有关单晶硅的机械物理性质;硅晶体的传感特性;硅材料的优点;1.1 晶面与晶向;例7-1 求纯硅每立方厘米的原子数。 解： 由于晶格常数b＝0.543nm＝0.543×10－9m，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（1cm＝0.01m）： V和v分别代表题中硅的体积和一个单晶体的体积；n是一个单位硅晶体中的原子数。 ;晶面;晶面指数（密勒指数）;晶向;由于硅属于立方晶体结构，在不同晶面上原子的排列密度不同，导致硅晶体的各向异性，因此杂质的扩散速度、腐蚀速度也各不相同。 硅单晶在晶面上的原子密度是以(111)(110)(100)的次序递减，因此扩散速度是以(111)(110)(100)方向递增。 腐蚀速度也是以(111)(110)(100)的顺序而增加 。;1.2 多晶硅;多晶硅材料的主要特点;多晶硅材料的主要特点;多晶硅材料的主要特点;多晶硅材料的主要特点;表7.7 多晶硅和其它材料的机械特性比较;1.3硅的力学性能;表7.2 硅晶体的多种杨氏弹性模量和剪切弹性模量;表7.3 MEMS材料的力学和热物理特性;铜;例7-2 如第5章所述，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。 解：热扩散率是材料几个特性的函数： ;表7.4 用于微系统的材料的热扩散率;2硅化合物;二氧化硅;二氧化硅的性质;碳化硅 ;氮化硅（Si3N4）具有许多吸引MEMS和微系统的突出特性。它可以有效地阻挡水和离子，如钠离子，的扩散。 氮化硅超强抗氧化和抗腐蚀的能力使其适于作深层刻蚀的掩膜。 氮化硅可用作光波导以及防止水和其它有毒流体进入衬底的密封材料。 它也被用作高强度电子绝缘层和离子植入掩膜 ;氮化硅的一些性质;3砷化镓;表7.11一些材料在300K时的电子迁移率;表7.12 GaAs和硅在微加工中的比较;4石英;;5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 1.应力产生的电场; 上面两式中的系数f和d有下面的关系 ;一些材料的压电系数;具有压电效应的晶体，其结构不存在对称中心。当应力作用到这种晶体上时，每个单元晶胞中的正负电荷位点间的间隔发生变化，从而在晶体表面产生净极化效应。 压电效应在MEMS和微系统中主要应用于执行器和压力传感器和加速度计的动态信号转换器。 ; 例7-3 已知：加速度计设计的可测量的最大加速度为10g。PZT换能器位于悬臂梁的支撑基底处，即悬臂梁弯曲时最大应变处，如图7.17。 求：在最大加速度为10g时，PZT膜的电压输出。 ;; 解： PZT所产生的电压可由式 得出。 等效弯曲载荷Peq：Peq=ma=(10×106 )×(10×9.81)=981×10-6 N 如图7.18，梁加速度计可等效为一个静态载荷悬臂梁，其自由端受等效力作用。 ;;最大弯矩为：Mmax=PeqL=(981×10－6 )（1000×10－6 ）＝0.981×10－6 N-m。 由例4.7可求得I值为0.1042×10-18m4 。支撑端最大弯曲应力为： ;C为梁截面高度的一半。梁的最大弯曲应变：;压电系数d=480×10－12 m/V PZT晶体的实际长度l=4μm 换能器在10g载荷下产生的总电压为： v=Vl=(0.258×107 )（4×10－6 ）＝10.32V; 例7-4 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1μm。打印头的形状和尺寸如图7.19。假定液滴的形状为球形，且墨水池在喷射后总被重新充满。;;解： 墨滴在纸上的分辨率为300-dpi。直径D=1in/300=84.67μm。 墨点是从直径d的球形墨滴产生的，可得出下面的关系：;r＝11.04×10－6m D=84.67μm t＝1μm 压电层垂直膨胀W 墨滴的体积：（π/4）Δ2W Δ：压电层的直径，2000μm;压电层应变为 ;单位长度的电压为 ;6陶瓷 （压电材料）;陶瓷材料在微机电系统技术中的应用 ;作为基板材料的陶瓷材料 ;用于致动器和传感器的陶瓷材料 ;7金属;7.1 磁致伸缩金属;7.2 形状记忆合金;形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料 。形状记忆合金的应用主要有以下几个方面： (1)形状恢复的应用； (2)伴随形状恢复时应力的应用 (3)热敏