1、楊大勇內容提要硅晶體構造與微觀力學硅晶體構造與微觀力學微尺度效應微尺度效應MEMS中的資料運用及進展中的資料運用及進展MEMS設計的根本問題設計的根本問題MEMS設計的詳細方法設計的詳細方法金剛石立方方式金剛石立方方式= =面心立方構造面心立方構造+ +沿對角線錯位沿對角線錯位1/41/4晶格常數晶格常數a=5.43a=5.43每一個硅原子和與之緊鄰的四個硅原子組成一個正四面體構造每一個硅原子和與之緊鄰的四個硅原子組成一個正四面體構造一、硅晶體構造與微觀力學分析假設一、硅晶體構造與微觀力學分析假設1、硅的晶面/晶向硅的晶胞構造晶面與晶面族晶面與晶面族 ，三點性質。普通簡稱晶面，三點性質。普通簡

2、稱晶面不平行的晶面族不平行的晶面族 晶向晶向 晶面與晶向 各向異性表現：表現：資料性質強度等資料性質強度等加工速率腐蝕、分散、注入等加工速率腐蝕、分散、注入等硅單晶原子密度硅單晶原子密度111111 110110 100100分散速度、腐蝕速度分散速度、腐蝕速度111110100111110100緣由：晶面原子密度緣由：晶面原子密度q資料性質資料性質無缺陷晶體無缺陷晶體q資料變形資料變形原子偏離晶格節點原平衡位置原子偏離晶格節點原平衡位置q幾何模型幾何模型q 一切格點用位置矩陣表達一切格點用位置矩陣表達q 空間節點鉸接桁架構造模型空間節點鉸接桁架構造模型q晶格點上的作用力晶格點上的作用力q 慣

3、性力外力慣性力外力+ +原子間作用力原子間作用力 內力內力q邊境條件邊境條件 q 接觸面固定，那么該面上一切的位移為零接觸面固定，那么該面上一切的位移為零q 晶體內晶面之間的關系晶體內晶面之間的關系2、微觀力學分析假設二、二、MEMS微尺度效應微尺度效應1SlV1、幾何構造學中的尺度效應影響到：動力學慣量、流體外表力、熱慣量與熱傳送影響到：動力學慣量、流體外表力、熱慣量與熱傳送不同的面體比闡明蜻蜓飛行時要求很少的能量和功不同的面體比闡明蜻蜓飛行時要求很少的能量和功率，對事物和水的耗費很低；而大象即使進展很緩率，對事物和水的耗費很低；而大象即使進展很緩慢的運動也要有大量的食物以產生足夠的能量。慢

4、的運動也要有大量的食物以產生足夠的能量。2112yyImc311132 1232yyyyIbc tI3112yyIbc t Optical MEMS Microoptoelectromechanical System (MOEMS)微反射鏡挪動或轉動微鏡MirrorSupportStructureSubstrate HingesTorsion Hinges1st DOF2nd DOFForce-redirecting Linkage2、剛體動力學中的尺度效應3、靜電力中的尺度效應4、電磁場中的尺度效應5、電學中的尺度效應6、流膂力學中的尺度效應1( )( )Vl T3222( )( )( )S

5、MFMal lTt3Ml2、剛體動力學中的尺度效應sl 12F34F=l llll122131333041 FFllllalllllllll11.5211113122220.51.502ll2 T( ) l = llFFlSMll llllFll0p/v 00pFSVTV2.511.5410.533202 ( ) FFFllpllllVll llll22122orWLUCVVd 5dm10dm3、靜電力中的尺度效應圖2.27 Paschen效應 10dm當 3Vl0 0 1 11 23( )l l l l lUll20212rdWLVUFdd 2012rLVFwd 2012rLWVFd 2l1

6、1011004、電磁場中的尺度效應U= dU= edQUxF常量iUxF常量212LixF2ilUx224)( )(llFl1( )AR=ll21( )VPlR0( ) l221( )2UEl5、電學中的尺度效應3( )aVEl123( )( )(1)aVPllE6、流膂力學中的尺度效應48apQLp28aveVpxa( , , , )xT x y ztqkxTQqAkAx 02tFl220( )FtLl112( )( )Ql ll三、三、 MEMS中的資料運用及進展中的資料運用及進展 1 單晶硅 硅資料除了具有良好的半導體性能，還有良好的機械性能，如強度、硬度、熱導、熱膨脹等。硅資料質量輕，

7、密度是不銹鋼的 1/3.5，而彎曲強度為不銹鋼的 3.5 倍，其熱導性是不銹鋼的 5 倍，而熱膨脹系數卻不到不銹鋼的 1/7， 能很好的和低膨脹 合金銜接，并防止產生熱應力。 實踐的機械性能取決于制成器件后硅的結晶取向、幾何尺寸、缺陷以及在生長、拋光、隨后處置中積累的應力情況。設計得當的微活動構造,如微傳感器,能到達極小的遲滯、 蠕變、高反復性和長期穩定性。 除此之外，硅還對許多效應敏感，也是傳感器的首除此之外，硅還對許多效應敏感，也是傳感器的首選資料之一，采用硅資料制造傳感器有利于處理長選資料之一，采用硅資料制造傳感器有利于處理長期困擾傳感器領域的期困擾傳感器領域的 3 個難題：遲滯、反復性

8、和長個難題：遲滯、反復性和長期漂移。所以目前構造資料首選依然是以硅為主。期漂移。所以目前構造資料首選依然是以硅為主。 1962 年第一個硅微型壓力傳感器問世，如今國內外年第一個硅微型壓力傳感器問世，如今國內外出現了各種微型傳感器，包括壓力、加速度、氣體、出現了各種微型傳感器，包括壓力、加速度、氣體、濕度、生化傳感器等。除了微型傳感器，還出現了濕度、生化傳感器等。除了微型傳感器，還出現了微型執行器、微型機器人、微型動力系統。微型執行器、微型機器人、微型動力系統。1988 年年美國加利福尼亞大學柏克利初次制造出轉子直徑為美國加利福尼亞大學柏克利初次制造出轉子直徑為 60m 的靜電微電機，而我國清華

9、大學的靜電微電機，而我國清華大學92 年研制的年研制的同步式靜電微電機，在技術性能上已遠遠超越美國同步式靜電微電機，在技術性能上已遠遠超越美國第一臺同類微電機的程度。第一臺同類微電機的程度。2 多晶硅資料 多晶硅是許多硅單晶的無序陳列。多晶硅是許多硅單晶的無序陳列。 多晶硅薄膜具有特有的導電特性，其導電性可以多晶硅薄膜具有特有的導電特性，其導電性可以經過控制摻雜原子濃度來調理。多晶硅膜具有較經過控制摻雜原子濃度來調理。多晶硅膜具有較寬的任務溫度寬的任務溫度-60300、可調電阻特性、可調電阻特性、可調的溫度系數、較高的應變靈敏系數，易于實可調的溫度系數、較高的應變靈敏系數，易于實現自對準工藝的

10、工藝特點，在大規模集成電路的現自對準工藝的工藝特點，在大規模集成電路的制備中有著廣泛的運用。在制備中有著廣泛的運用。在 MEMS中常用于做構中常用于做構造資料和犧牲層技術。代表性產品是硅壓力傳感造資料和犧牲層技術。代表性產品是硅壓力傳感器。器。3 多孔硅資料 多孔硅是一種重要的微機械加工資料，具有很多多孔硅是一種重要的微機械加工資料，具有很多重要的性質：多孔硅具有熒光景象和電致發光特重要的性質：多孔硅具有熒光景象和電致發光特性，可以作為發光器件；由于其構造上的多孔，性，可以作為發光器件；由于其構造上的多孔，它的介電常數會隨進入孔內的氣體而改動，利用它的介電常數會隨進入孔內的氣體而改動，利用這種

11、性質可以制造氣敏、濕敏傳感器。這種性質可以制造氣敏、濕敏傳感器。 多孔硅還可用于做隔離層。制成厚膜作為硅基射多孔硅還可用于做隔離層。制成厚膜作為硅基射頻無源器件與襯底之間的隔離層，其介電性能高頻無源器件與襯底之間的隔離層，其介電性能高于單晶硅，還能大大降低襯底損耗。于單晶硅，還能大大降低襯底損耗。4 硅化物資料 硅化物如硅化物如TiSi2,CoSi2, PtSi等在等在VLSI 中作為接觸中作為接觸和互聯資料有廣泛的運用，它們的電阻率比多晶和互聯資料有廣泛的運用，它們的電阻率比多晶硅更低，大大減少了期間的互聯電阻和接觸電阻，硅更低，大大減少了期間的互聯電阻和接觸電阻，顯著改善了器件的導電特性。

12、顯著改善了器件的導電特性。 硅化物的制備工藝與外表微機械制備技術兼容，硅化物的制備工藝與外表微機械制備技術兼容，但是硅化物有較大的應力。至于如何減少硅化物但是硅化物有較大的應力。至于如何減少硅化物的應力還有待于進一步的研討、處理。的應力還有待于進一步的研討、處理。5 硅化物高溫半導體資料 SiC由于有良好的機械性能和電性能而遭到人們的由于有良好的機械性能和電性能而遭到人們的關注。關注。SiC 表現出高強度、大剛度、內部剩余應表現出高強度、大剛度、內部剩余應力低，有較好耐高溫暖耐腐蝕性，能抑制硅基資力低，有較好耐高溫暖耐腐蝕性，能抑制硅基資料不適宜在惡劣的環境下任務的缺陷。料不適宜在惡劣的環境下

13、任務的缺陷。 這些特性使這些特性使 SiC 適宜制造高溫、高功率及高頻電適宜制造高溫、高功率及高頻電子器件，高溫半導體壓力傳感器。子器件，高溫半導體壓力傳感器。 目前曾經開發出碳化硅高溫溫度、氣體、壓力傳目前曾經開發出碳化硅高溫溫度、氣體、壓力傳感器。目前已開發的高溫溫度傳感器有剛玉基片感器。目前已開發的高溫溫度傳感器有剛玉基片上的上的 SiC 熱敏電阻和硅襯底上的熱敏電阻和硅襯底上的 SiC 熱敏電阻兩熱敏電阻兩種。種。6 壓電資料 ZnO 和和 PZT 等壓電資料對等壓電資料對 MEMS 有極大的吸引有極大的吸引力，因它有電和機械相互轉換的性能，即加電到壓力，因它有電和機械相互轉換的性能，

14、即加電到壓電資料會使其變形，相反的加應力會使其產生電壓。電資料會使其變形，相反的加應力會使其產生電壓。 利用其正壓電效應可制成機械能的檢測器，利用逆利用其正壓電效應可制成機械能的檢測器，利用逆壓電效應可制成制動器執行器。壓電效應可制成制動器執行器。 美國伯克利的研討人員勝利地研制基于美國伯克利的研討人員勝利地研制基于 ZnO 壓電壓電薄膜的懸臂式麥克風和揚聲器。它是用硅微加工的薄膜的懸臂式麥克風和揚聲器。它是用硅微加工的方法在硅片上制成方法在硅片上制成2000m2000m4.5m 的多層的多層構造懸臂膜片。構造懸臂膜片。7 鐵電資料 其突出的力、熱、電、光耦合性能可以廣泛用于其突出的力、熱、電

15、、光耦合性能可以廣泛用于MEMS系統。系統。 鐵電資料廣泛運用于存儲技術，鐵電鐵電資料廣泛運用于存儲技術，鐵電-硅微集成系硅微集成系統的開展導致了新型存儲器的出現和開展。統的開展導致了新型存儲器的出現和開展。 最近的研討闡明：某些金屬氧化物最近的研討闡明：某些金屬氧化物(如如 LaSrCoO3,SrRnO3)電極相對純金屬電極電極相對純金屬電極Pt能能夠會大大改善鐵電膜的質量。夠會大大改善鐵電膜的質量。8 磁致伸縮資料 磁致伸縮資料和壓電資料一樣是雙向任務的。磁致伸縮資料和壓電資料一樣是雙向任務的。 在在MEMS 中作為驅動器和接受器，在主振動、精細中作為驅動器和接受器，在主振動、精細定位、超

16、聲波發生器中均有運用。定位、超聲波發生器中均有運用。 超磁致伸縮資料的伸縮系數大，能量密度高，機超磁致伸縮資料的伸縮系數大，能量密度高，機電耦合系數大，呼應速度快、輸出力大，基于這電耦合系數大，呼應速度快、輸出力大，基于這些特性，其在馬達上的運用前景廣泛。國內對其些特性，其在馬達上的運用前景廣泛。國內對其研討才剛剛起步，尚處于探求階段。研討才剛剛起步，尚處于探求階段。 大連理工大學研制的超磁致伸縮資料驅動的微位大連理工大學研制的超磁致伸縮資料驅動的微位移驅動器，浙江大學研制的微位移執行器運用于移驅動器，浙江大學研制的微位移執行器運用于噴嘴噴嘴-擋板型氣動伺服閥和直動型氣動流量閥。擋板型氣動伺服

17、閥和直動型氣動流量閥。9 外形記憶合金資料 外形記憶合金資料是近幾十年開展起來的一種新外形記憶合金資料是近幾十年開展起來的一種新型的功能資料。型的功能資料。 運用此資料日本三菱公司研制了一種運用此資料日本三菱公司研制了一種 SAM 螺旋螺旋彈簧式自動內窺檢查微型機器人，用于進入人體彈簧式自動內窺檢查微型機器人，用于進入人體管道進展醫療檢查。中國科技大學研制出了基于管道進展醫療檢查。中國科技大學研制出了基于 SAM 導向的用于人體腸道檢查和腹腔手術的醫用導向的用于人體腸道檢查和腹腔手術的醫用蠕動式管道微型機器人。蠕動式管道微型機器人。10 金剛石薄膜 眾所周知，金剛石具有高熔點、高熱導率、高硬眾

18、所周知，金剛石具有高熔點、高熱導率、高硬度，絕緣性好、抗腐蝕性強，介電常數小，具有度，絕緣性好、抗腐蝕性強，介電常數小，具有寬帶隙半導體特征，化學穩定性好，是蘊涵宏大寬帶隙半導體特征，化學穩定性好，是蘊涵宏大潛力的新型功能資料。潛力的新型功能資料。 在高溫、強電磁輻射和強化學腐蝕性的苛刻環境在高溫、強電磁輻射和強化學腐蝕性的苛刻環境中，金剛石表達出一種理想資料的優越性能。中，金剛石表達出一種理想資料的優越性能。 近幾年來金剛石薄膜作為近幾年來金剛石薄膜作為 MEMS 中的一種新資中的一種新資料引起了人們極大的興趣。已研制出金剛石微型料引起了人們極大的興趣。已研制出金剛石微型電夾、金剛石薄膜探針，金剛石薄膜外科微型工電夾、金剛石薄膜探針，金剛石薄膜外科微型工具。具。11 高分子資料 聚酰亞胺聚酰亞胺PI 、光刻膠、光刻膠PR 、聚甲基丙稀、聚甲基丙稀酸甲酯酸甲酯PMMA等高分子資料在等高分子資料在 MEMS 中都中都是舉足輕重的資料。不僅僅是重要的工藝資料，是舉足輕重的資料。不僅僅是重要的工藝資料，如作為如作為 X 光的掩模板，微電鑄掩模資料及微塑鑄光的掩模板，微電鑄掩