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[资源] MEMS讲义（2）：MEMS所使用的功能材料

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。MEMS所使用的功能材料大大拓宽了MEMS研究领域，提高和改善了MEMS器件和系统的性能，对实现特殊器件或者功能性器件做出了重大贡献。

一：SOI材料
SOI （Silicon-on-Insulator）是一类较新的材料和结构 , SOI 结构综合了体硅和SOI材料各自的优点,具有部分绝缘和部分导电的特性. 一般采用键合方式来形成SOI结构。SOI材料，即绝缘体上的硅材料，被国际上公认为“二十一世纪硅集成电路技术”的基础。SOI材料有SOS , FIPOS , ZMR , SI2MOX 等. 目前SOI 材料主要用于低压、低功耗超大规模集成电路和抗辐照、耐高温的特种集成电路.SOI 的另一个重要应用领域是制备微电子机械器件,相比传统的体硅压力传感器,用SOI 材料制备压阻式SOI 传感器具有耐高温的特点。采用SOI材料可以制备也比较理想的器件，但并不是说这种器件就是完美的，还存在着若干问题有待解决，如自加热效应、翘曲效应、寄生双极晶体管效应及浮体效应等。

二：压电材料（PZT）
   压电材料在外界振动激励作用生形变，引起材料内部应力的变化，其内部电荷发生位移从而产生了电场。因当压电晶体受到应力作用时，在它某些面上产生电荷，且应力与面电荷密度之间存在线形关系，这个现象称为正压电效应。而当压电晶体受到电场作用时，在它的某方向上产生应变，且电场强度与应变之间存在线形关系，称为逆压电效应。在压电效应中，机械域和电域的能量可以相互转换。压电材料受到的机械应力产生电场，机械能转化为电能，这种转换模式称为传感器模式；在压电材料上外加电压，引起机械形变，电能转化为机械能，这中转换模式称为执行器模式。压电材料的选择对MEMS器件比如能量采集器的性能有着重要影响，其能量转换效果取决于所采用材料的机电耦合系数k、压电系数dxx、介电常数ε等性能参数。机电耦合系数反应压电材料机械能和电能的转换效率；压电系数反应压电薄膜力电耦合的强弱。通常机电耦合系数和压电系数越高，压电材料能量转换的效率越高。介电常数约高的压电材料越容易存储电荷，并且有助于降低材料器件的内阻，减少器件工作时的内部能耗。用于微加工的压电材料分为三个基本类型：压电薄膜，例如锆钛酸铅（PZT）,氧化锌和氮化铝；压电晶体，例如石英，铌酸锂和砷化镓；压电聚合薄膜，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）。

三：（超）磁致伸缩材料
   磁致伸缩是由于材料内部磁化状态的改变而引起的长度变化，反过来，如果铁磁材料受到机械力作用时，其内部将产生应变，从而产生应力，将导致磁导率等磁化状态发生变化。这是磁致伸缩的逆效应，通常称为压磁效应。铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩现象有三种表现形式：(1)沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为纵向磁致伸缩;(2)垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化，称为横向磁致伸缩;(3)材料体积大小的相对变化，称为体积磁致伸缩。纵向或横向磁致伸缩又统称为线性磁致伸缩。
磁致伸缩合金材料易脆, 用现有的加工手段很难得到微小结构的材料, 加之材料的强涡流损耗等特点, 使微型马达等MEMS执行器的研制陷入困境。随着薄膜制备技术及其它先进制造技术的发展, 近年来超磁致伸缩材料研究领域出现了新的进展, 采用物理沉积法在非磁性基片上溅射镀膜, 可制备出性能更加优越, 应用前景更加广泛的超磁致伸缩薄膜材料。  与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料Ni、Co等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能:室温下的磁致伸缩应变值很大门500-2000ppm)，是镍的40-50倍，是压电陶瓷的5-8倍;能量密度高(14000-25O0oJ/m，)，是镍的400-500倍，是压电陶瓷的10~24倍;机磁(电)祸合系数大;响应速度快(达到ps级);输出力大，可达220~88ON。超磁致伸缩材料一般采用线圈、永久磁铁等磁性元件产生磁场驱动其伸缩，这与压电、形状记忆合金等功能材料的驱动方法不同。超磁致伸缩薄膜除了具有合金材料的性能外, 还具有涡流损耗及磁滞小等特性。薄膜的成功制备为超磁致伸缩微型马达等MEMS执行器的研究提供了新的应用材料。随着负磁致伸缩合金材料SmFe 的发现及成功制备, 可以在基片两表面分别溅射正负磁致伸缩薄膜TbFe 和SmFe, 同样大小磁场下可增加薄膜的磁致伸缩变形量, 为成功研制大输出力或扭矩的超磁致伸缩薄膜微型马达提供了条件。

四：铁电材料
   铁电材料具有很大的介电常数和压电系数，铁电薄膜具有优越的电极化特性、热释电效应、压电效应、声光效应、电光效应、光折变效应和非线性光学性质等一系列特殊性质。因铁电材料是具有特殊极性方向的晶体，由于没有对称中心，所以它具有压电效应。铁电材料具有这种热释电效应（由于温度变化使晶体产生电极化，这种现象称为热释电效应），它的自发极化强度在温度发生变化时而相应变化。利用这种性能，铁电薄膜材料可制作红外探测器等器件。利用铁电性可制备非挥发性铁电存储器(NVFRAM)等器件。铁电材料有以下几种：钙钛矿型铁电体、铌酸钾型铁电体、钨青铜型铁电体、Y1系列铁电体。铁电薄膜制备方法有：脉冲激光沉积、磁控溅射法、金属有机物热分解(MoD)法、溶胶-凝胶(sol-gel)法等。

五：形状记忆合金材料（SMA）
   形状记忆合金是在外场（温度场或电场）作用下发生马氏体相变，能恢复大的塑性变形，并且其恢复力可对外做功。形状记忆合金薄膜具有以下优点：功密度高，输出位移大；薄膜表面积与体积的比值极高；电阻率适于用焦耳热驱动执行器；电加热时需要的驱动电压极低。这些优越的性能大大开拓了形状记忆合金在MEMS 领域中的应用，如微流体控制（流量控制、微泵、微阀）、微执行系统（微钳、微臂）、信息技术（继电器、连接器、透镜定位器）。很多材料都展示出SMA这种效应,其中TiNi 合金以其优秀的形状回复特性、较强的耐腐蚀和生物相容性,成为应用最为广泛的形状记忆合金( SMA)。具有形状记忆效应的合金很多,但真正实现商业化的只有TiNi 基和Cu 基SMA。其中,Cu 基合金因多晶时脆性较大而应用较少,而TiNi 基合金因其具有做功密度高、可恢复应变大、变形回复应力大、驱动电压低和生物相容性好等优越性能,研究应用最为广泛成熟。

六：巨磁阻抗材料
   巨磁阻抗效应( GMI) 是指通有交流电流的软磁材料在外磁场的作用下阻抗发生显著变化的现象。该效应具有灵敏度高、反应快和稳定性好等特点，在传感器技术和磁记录技术中具有应用潜能。利用该效应可以制作高灵敏度传感器、微型传感头、快速响应大电流传感器、　位移传感器、磁旋转编码器、薄膜磁传感器、GMI生物传感器、GMI 扭矩传感器。三明治薄膜和复合结构丝的巨磁阻抗效应相对于单质材料表现出两个明显的特点, 一是巨磁阻抗效应显著增强,另外就是起始和最佳频率向低频移动。在复合材抖中, 在铁磁层和导电层中间再加适当厚度绝缘层, 则其效应会进一步增强。

七：金刚石
   MEMS器件对材料的要求有别于半导体器件，硅基材料的缺点随着应用范围扩展而日益显示，比如硅基材料的抗磨、折弯、韧性差，还特别容易发生结构粘附现象。用化学汽相沉积（CVD）法制备的金刚石膜类似于天然金刚石。CVD金刚石薄膜质量轻、强度高、耐磨损、抗腐蚀、高熔点、高硬度、耐高温，导热性、绝缘性好。可以作为MEMS的微齿轮、开关、悬臂梁、弹簧、连杆、滑块、手术刀、马达、泵等转动、滑动的微器件。另外，金刚石膜还有显著的压阻效应。

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