第二章节微机电系统的功能材料 (6学时) 一、教学目的及要求 了解常用的微机械电子系统功能材料的基本物理、化学性质，掌握针对特 定功能的微型元器件设计时的功能材料选择方法。 二、教学重点及难点 重点：硅的基本物理、化学性质。难点：硅的晶体结构。 三、教学手段 采用多媒体和板书相结合的手段，图、文、声并茂多方位阐述。 四、教学方法 课题提问、演示等方法阐明材料的基本性质，讨论材料选择方法。 五、作业 布置思考题。 六、参考资料 见参考书。 七、教学内容与教学设计 一、MEMS常用材料 9半导体材料：硅及其化合物等。 9电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。 9磁致伸缩材料：镍铁合金等。 9形状记忆材料：镍钛合金等。 。其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变 液或磁流变液材料、纳米相材料等。 ©选用依据及实例： 具体设计时，应根据微型元器件的功能，选用能获取系统性能的材料。 例如、对于起制动作用的器件，应选用压电陶瓷、石英、镍钛记忆合 金等材料；用做器件和衬底的绝缘层，则可选用硅的氧化层Si02或Si3N4等
第二章节微机电系统的功能材料 （6 学时） 一、教学目的及要求 了解常用的微机械电子系统功能材料的基本物理、化学性质，掌握针对特 定功能的微型元器件设计时的功能材料选择方法。 二、教学重点及难点 重点：硅的基本物理、化学性质。难点：硅的晶体结构。 三、教学手段 采用多媒体和板书相结合的手段，图、文、声并茂多方位阐述。 四、教学方法 课题提问、演示等方法阐明材料的基本性质，讨论材料选择方法。 五、作业 布置思考题。 六、参考资料 见参考书。 七、教学内容与教学设计 一、MEMS 常用材料 半导体材料：硅及其化合物等。 电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等。 磁致伸缩材料：镍铁合金等。 形状记忆材料：镍钛合金等。 其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变 液或磁流变液材料、纳米相材料等。 选用依据及实例： 具体设计时，应根据微型元器件的功能，选用能获取系统性能的材料。 例如、对于起制动作用的器件，应选用压电陶瓷、石英、镍钛记忆合 金等材料；用做器件和衬底的绝缘层，则可选用硅的氧化层 SiO2 或 Si3N4 等
导电性：电阻率 二、半导体功能材料 1硅及其化合物材料 单晶硅、多晶硅、硅一蓝宝石、化合物半导体材料、SC薄膜材料。 2硅的材料特性 a、硅的熔点高(1400心)，约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高 温稳定性； b、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍； c、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍； d、硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料； e、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成，便 于实现批量化生产。 发展史： 3、硅的晶体结构 基本上是面心立方体晶胞。硅晶胞的主平面(100)、(110)、(111) 硅材料的各向异性 4、单晶硅的生产 ©单晶硅的提纯 经过连续分馏、逆向反应及气化分离，可以得到固态的“电子级硅”，它可 以作为单晶硅生产的原料。 ©单晶硅的生长或“拉制” 常用方法：Czochralski(简称为CZ法)和悬浮区法。 。单晶硅的机械加工 ©硅的掺杂P型掺杂、N型掺杂；N型硅和P型硅一半导体材料 A、P型硅是在纯硅材料中加入了硼(B)原子：由于B原子外面 带有3个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生 空穴。 B、N型硅是在纯硅材料中加入了砷(As)或磷(P)原子：由于 硅原子外面为带有4个正电荷，而As或P原子外面带有5个正电荷， 这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生游离电子
导电性：电阻率 二、半导体功能材料 1 硅及其化合物材料 单晶硅、多晶硅、硅－蓝宝石、化合物半导体材料、SiC 薄膜材料。 2 硅的材料特性 a、硅的熔点高（1400̊C），约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高 温稳定性; b、硅的热膨胀系数比钢小 8 倍，比铝小 10 倍; c、具有很好的导热性，是不锈钢的 5 倍; d、硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料; e、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成，便 于实现批量化生产。 发展史； 3、硅的晶体结构 基本上是面心立方体晶胞。硅晶胞的主平面（100）、（110）、（111） 硅材料的各向异性 4、单晶硅的生产 单晶硅的提纯 经过连续分馏、逆向反应及气化分离，可以得到固态的“电子级硅”，它可 以作为单晶硅生产的原料。 单晶硅的生长或“拉制” 常用方法：Czochralski(简称为 CZ 法)和悬浮区法。 单晶硅的机械加工 硅的掺杂 P 型掺杂、N 型掺杂；N 型硅和 P 型硅－半导体材料 A、P 型硅是在纯硅材料中加入了硼（B）原子：由于 B 原子外面 带有 3 个正电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生 空穴。 B、N 型硅是在纯硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于 硅原子外面为带有 4 个正电荷，而 As 或 P 原子外面带有 5 个正电荷， 这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生游离电子
掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动加剧，导电性能得到提高。 掺杂浓度越高，电阻率越低，越容易导电。 5、多晶硅 ©多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物。这些晶粒的排列是无序的， 不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内部有单晶的特征，因而在热分 析和结构分析时可看作各向同性材料。 。晶粒与晶粒之间的部位叫晶界，晶界对其电特性的影响可以通过 控制掺杂原子浓度来调节。现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应 变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。 多晶硅的特点 91、具有较宽的工作温度范围（一60度~+300度）： 92、可调的电阻率特性； ©3、可调的的温度系数； ©4、较高的应变灵敏系数及容易调整。 。5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底 上制作（如在介电体），而且可以更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定 性的实现。 硅一蓝宝石(S0S) 硅一蓝宝石材料是通过外延生长技术将硅晶体生长在蓝宝石 《《-A1,O,）衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分，二者 构成硅一蓝宝石S0S晶片。 硅一蓝宝石特点 1、蓝宝石材料为绝缘体； 2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计： 3、蓝宝石化学稳定性好，耐腐蚀，抗辐射性能强： 4、蓝宝石机械强度高。 5、硅一蓝宝石材料又脆又硬，其硬度仅次于金刚石，制作工艺技术比较
掺杂破坏的纯硅材料电子的平衡，促使电子流动加剧，导电性能得到提高。 掺杂浓度越高，电阻率越低，越容易导电。 5、多 晶 硅 多晶硅是许多单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒的排列是无序的， 不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内部有单晶的特征，因而在热分 析和结构分析时可看作各向同性材料。 晶粒与晶粒之间的部位叫晶界，晶界对其电特性的影响可以通过 控制掺杂原子浓度来调节。现就多晶硅的电阻率、电阻温度系数及电阻应 变灵敏系数与掺杂原子浓度的关系论述如下。 多晶硅的特点 1、具有较宽的工作温度范围（－60 度～＋300 度）； 2、可调的电阻率特性； 3、可调的的温度系数； 4、较高的应变灵敏系数及容易调整。 5、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底 上制作(如在介电体),而且可以更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定 性的实现。 硅－蓝宝石（SOS） 硅 － 蓝 宝 石 材 料 是 通 过 外 延 生 长 技 术 将 硅 晶 体 生 长 在 蓝 宝 石 （ ）衬底上形成的。硅晶体可以认为是蓝宝石的延伸部分，二者 构成硅－蓝宝石 SOS 晶片。 硅－蓝宝石特点 1、蓝宝石材料为绝缘体； 2、蓝宝石材料的迟滞和蠕变小到可以忽略不计； 3、蓝宝石化学稳定性好，耐腐蚀，抗辐射性能 强； 4、蓝宝石机械强度高。 5、硅－蓝宝石材料又脆又硬，其硬度仅次于金刚 石，制作工艺技术比较
复杂。 (所以利用硅一蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性 能的传感器和电路) SiC薄膜材料 SC是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成，利 用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内，便可以获得优质的立方晶体结构的 SiC。 特点：具有优异的物理、化学及电学性能，高强度（是单晶硅的3倍）、大 刚度、内部的残余应力很低，较高的压阻系数，熔点高(2300)。因此，SiC 材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射，非常适合于高温、恶劣环境下工作的微机电系 统的选择使用。 由于SC单晶材料成本高、硬度大及加工难度大，所以以硅单晶片为衬底 的SiC薄膜就成为研究和使用的理想选择。与单晶SiC薄膜相比，多晶SiC的适 用性更广。 压电材料 9压电效应 压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极化效应在机械应力或电 场（电压）作用下将发生相互耦合，也就是应力一应变一电压之间存在内在联系。 9正压电效应 在机械应力作用下，将机械能转换为电能。 。逆压电效应 在电压作用下，将电能转换为机械能。 压电材料的特点及应用 。压电材料可以大块使用也可以小块分散使用，利用正压电效应感 知外界的机械能，可以制作微传感器；利用逆压电效应作为驱动力，可 以制作压电微执行器。 9由于压电材料的的变形量十分微小，一般仅在几个m/v,单个 压电元件的变形量约为总长度的0.1%~0.2%，这在需要精密定位的微操 作器中很有意义。 。压电材料作驱动器时，它的激励功率小，响应速度较快，是形状
复杂。 （所以利用硅－蓝宝石可以制作出具有耐高温、耐腐蚀及抗辐射等优越性 能的传感器和电路） SiC 薄膜材料 SiC 是一种特殊环境下使用的化合物半导体。它由碳原子和硅原子组成，利 用离子注入掺杂技术将碳原子注入单晶硅内，便可以获得优质的立方晶体结构的 SiC。 特点：具有优异的物理、化学及电学性能，高强度（是单晶硅的 3 倍）、大 刚度、内部的残余应力很低，较高的压阻系数，熔点高（2300 ）。因此，SiC 材料能在高温下耐腐蚀、抗辐射，非常适合于高温、恶劣环境下工作的微机电系 统的选择使用。 由于 SiC 单晶材料成本高、硬度大及加工难度大，所以以硅单晶片为衬底 的 SiC 薄膜就成为研究和使用的理想选择。与单晶 SiC 薄膜相比，多晶 SiC 的适 用性更广。 压电材料 压电效应 压电材料的主要属性是，其弹性效应和电极化效应在机械应力或电 场（电压）作用下将发生相互耦合，也就是应力－应变－电压之间存在内在联系。 正压电效应 在机械应力作用下，将机械能转换为电能。 逆压电效应 在电压作用下，将电能转换为机械能。 压电材料的特点及应用 压电材料可以大块使用也可以小块分散使用，利用正压电效应感 知外界的机械能，可以制作微传感器；利用逆压电效应作为驱动力，可 以制作压电微执行器。 由于压电材料的的变形量十分微小，一般仅在几个 nm/v，单个 压电元件的变形量约为总长度的 0.1%～0.2％，这在需要精密定位的微操 作器中很有意义。 压电材料作驱动器时，它的激励功率小，响应速度较快，是形状