1.2 MEMS的基础理论

1.2.1 微机械常用材料

在微机械中通常使用的功能材料是硅，硅材料发挥着重要的作用，主要原因是硅材料含量丰富、具有优良的机械特性和电性能，而且在微电子加工中有现成的加工工艺。除了硅材料外，还有金属及金属氧化物、陶瓷和聚合物等材料可用。微机械常用材料的用途、制作工艺及特征如表1-1所示。

1．硅

硅具有以下优点：

（1）硅具有优良的机械特性，其力学性能稳定，比不锈钢的拉伸强度高，硬度高，弹性好，抗疲劳。

（2）熔点高达1400℃，是铝的两倍。

（3）无机械延迟。

（4）硅片表面光洁，利用光刻技术和自动生产线可廉价大量生产。

硅材料多制成单晶硅芯棒，单晶硅是微电子机械系统用做衬底的主要材料。单晶硅具有良好的机械物理性能，性能稳定。硅晶体的晶格缺陷少，经过微细加工后，容易获得平整的表面。单晶硅具有压电、电磁、热敏等多种效应，因此可用于加工微传感器和微执行器。硅化物主要包括多晶硅、氧化硅、碳化硅和氮化硅，都是微电子机械系统常用材料。

2．金属及金属氧化物

薄膜金属厚膜结构是用来制造微电子机械系统部件的，大多数厚膜金属被用做末级部件结构材料，或者用做陶瓷微膜上聚合物的镶嵌部件。用于MEMS的各种合金及其相关工艺也得到了很好的发展，目前最常用的形状记忆合金（shape memory alloy, SMA）为铜基合金，其具有成本低、热导率高、反应时间短的优点。CoNiMn薄膜已被用做磁执行器中的永久磁性材料；NiFe坡莫合金厚膜已被用于硅片的衬底；1963年发现的TiNi合金具有形状记忆效应，已经有人将其用在衬底上，用于表面贴装组件的感测和制动，如剑桥大学研制的SMA驱动微泵，通过在TiNi合金上加不同的温度来驱动TiNi合金上下震动，从而能带动多晶硅膜也随之震动，实现微泵的制动。

通常都用ZnO薄膜制备声波传感器。体声波情况下的调谐来回插入损耗，表面声波情2况下的延迟线、旋转器、相关器等的输出插入损耗及相位特性都可用来测量溅射的ZnO薄膜。ZnO可以用激光辅助的真空蒸发获得，这种方法使用了CO2激光和ZnO薄膜。激光辅助蒸发ZnO薄膜具有某些特别的优点。首先，整个工艺是没有污染的；其次，可以蒸发多种大面积的原材料；最后，可现场退火。

3．陶瓷

陶瓷是用于MEMS的一种主要材料，又称为精细陶瓷材料，通过控制化学合成物质的比例及精密成型烧结，加工成适合微机电系统的陶瓷。对某些特殊用途的MEMS而言，厚膜陶瓷和三维（3D）陶瓷则是必不可少的结构材料。陶瓷在微机电系统中主要用于微传感器和微执行器的基板和封装材料，他们主要用的陶瓷材料是压电陶瓷，压电陶瓷又分为正压电效应和逆压电效应。

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。电解质受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的，依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型等5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电陶瓷是功能陶瓷中应用极广的一种。日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器，就是压电陶瓷的一种应用。点火器就是利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之产生十几千伏（kV）的高电压，从而产生火花放电，达到点火的目的。

压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷，它是能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。例如陶瓷滤波器、声表面波器件、电光器件、红外探测器件和压电陀螺等。

（1）细晶粒压电陶瓷。

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微米级，可以改进材料的加工性，可将基片做得更薄，以提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器、制动器都是有益的。减小粒径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应的影响。为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺，使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20～30μm厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。

（2）Pb（Zr, Ti）O3。

Pb（Zr, Ti）O3又称为PZT，它们具有高的压电耦合系数和介电系数，因此很适合微传感器。在某些条件下，PZT的压电耦合系数要比ZnO或ALN大一个数量级。此外，它们还具有大的热电响应和大的自生极化，因而成为IR探测器和非易失性存储器的重要材料。目前，已提出了大量的有关PZT的应用，并且有些已经经过详尽的研究，例如SAW延迟线、热电传感器和存储器件。关于制备PZT薄膜方法的研究也延续了十余年，其中包括电子束蒸发、射频（radio frenquency, RF）溅射、离子柬沉积、RF溅射的外延生长、磁控溅射、MOCVD、激光融化以及溶胶-凝胶法，而研究最多的是物理的RF溅射和化学的溶胶-凝胶法。

（3）压电陶瓷-高聚物复合材料。

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电陶瓷-高聚物复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。

（4）压电性特异的多元单晶压电体。

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边、高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

4．聚合物

聚合物分子一般较大，是由小分子构造而成的链状分子。MEMS正致力于使用聚合物材料，它们有着吸引人的特点：可铸性、一致性、易沉淀、薄厚膜、聚合物具有半导体甚至金属性质和其分子结构有着广泛的可选性。

聚合物MEMS是指使用聚酰亚胺等树脂原料的MEMS技术。与硅相比，具有柔软、易弯曲、光学性质和生物兼容性的特点，而且还具有易于加工技术和低成本的特点。基于聚合物MEMS的加工可以使用不同于使用硅和玻璃材料的MEMS元件的技术。其代表就是将模具压到材料上进行加工的压印技术，采用聚合物薄膜、聚合物厚膜和三维聚合物微型结构已经制造各种聚合物部件。

最近几年，有相当多的聚合物材料被应用到微机电系统中，例如聚酰亚胺、SU-8、液晶聚合物、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯和聚四氟乙烯等。

1.2.2 微机械的固体力学问题

随着人们对固体材料强度和破坏机理的研究不断深入，人们对材料力学行为的认识已由宏观层次逐步向着微观层次深入。微机电系统与微电子技术的区别就在就于器件内部存在机械运动，而力学作为工程学科的分支，主要研究物体的受力及其产生的运动问题。在微机电系统中，无论是压力传感器的变形运动还是加速度传感器的缸体运动，都要对物体的运动进行研究。在MEMS中所涉及到的固体力学问题包括尺寸效应、膜的力学问题、弹性力学问题和梁的力学问题。

区别于常规尺寸，当物体尺寸的减少导致的新现象和新规律可归结于微尺寸效应。而新规律和新现象的产生必然有其物理上的内在原因。尺寸效应可分为两类：第一类是当物体的尺寸与载能粒子的平均自由程相当或者稍大时，常规尺度下的连续介质假定不再成立。第二类是当物体的尺寸还没有小到连续介质假定不能成立的程度，所有常规尺寸下的基本方程和定律还适用，只是由于小的尺寸使得影响物理量的各因素的相对关系的重要性发生改变，从而呈现出新的规律和现象。MEMS技术中的尺寸效应主要属于第二类。由于MEMS的尺寸很小，各种物理性能都发生了改变，在宏观系统中的主导量在微型化后将退居次要位置，而在宏观系统中被认为忽略的物理量，在MEMS中却成为了影响其性质的主要因素。例如，惯性力比重力缩小得快，固有频率随着尺寸的减小反而增大，长度的尺寸变化要比面积减小得慢。

随着器件或系统的尺寸缩小，它们的性能变化规律如表1-2所示。

通过中间的膜片在不同的温度变化时，会产生不同的型变量变形实现微泵的开关功能；用机械振动原理可以制造出微加速度计、微陀螺仪、压力传感器、微谐振器等；根据折梁的力学问题研究其形变量可制造出微执行器、生物芯片等。

1.2.3 微机械的工作原理

由于MEMS的尺寸很小，所以传统的电机不能用作驱动源使其工作。MEMS的驱动方式大致可分为电磁力、静电力、压电力、热膨胀和形态记忆合金。

MEMS的产品主要由微传感器、微执行器、微能源、处理电路等部件组成的，目前MEMS产品的能源装置还是数字电路能源。传感器是由敏感元件和转换元件组成的，敏感元件是传感器中能直接感受外界信号的原件，而转换元件能将敏感元件感受到得外界信号转换成合适的电信号。微传感器具备微型化、集成化、低成本、低功耗、高精度、高寿命、响应速度快等特点。

1.2.4 微构造特性

微构造的特性很大程度上依赖于材料的本质特性。表1-3给出了材料的特性和它们对于微小构造体的影响。

压力、速度和振动传感器的机械特性受到材料内应力和弹性模量的影响很大。这里以圆形薄膜微型压力传感器为例，当薄膜中心的形变量比膜厚小很多时，有内部应力存在，压力p和中心变形w0的关系是：

式中：d为薄膜的厚度，α微薄膜的半径，E为薄膜的弹性模量，ν为泊松比，σ为内部应力。

图1-1给出了一组形变和内应力间的计算结果，当内部应力很大（σ＞100GPs）时，灵敏度严重下降至接近零。当内应力比较小（σ＜0.1GPa）时，随弹性模量E的增大，传感器的灵敏度下降而且与内部应力无关。

在微构造的设计中材料的机械特性是至关重要的。表1-4列出了单晶硅和普通材料的机械特性。单晶硅和不锈钢的杨氏模量基本相同，但单晶硅的降服强度大，是一种很优良的材料。用微型双支撑梁或悬臂梁这样的简单构造就可以测定薄膜的内部应力、杨氏模量等参数。为了控制薄膜的内部应力或弹性模量，常采用向膜内注磷、硼或氢的方法，注入杂质的量不同，效果也不同。