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MEMS功能材料改善MEMS器件和系统的性能

时间:2012-11-03 18:40:15来源:物联网在线 作者:IOTer 点击:
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。

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。

1、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。

2、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)。

3、(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。

(责任编辑:Ioter)

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