《電子技術(shù)應(yīng)用》
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入門:MEMS的陶瓷材料如何選擇

2023-01-26
來源:光電讀書
關(guān)鍵詞: 陶瓷材料 PDC MEMS

  利用材料特性進(jìn)行有利組合,,硅,、鋁和鈦的氮化物(nitrides)以及碳化硅(siliconcarbide)和其他陶瓷越來越多地應(yīng)用于MEMS制造中。陶瓷材料MEMS列表:

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  這個(gè)列表同時(shí)羅列出了一些應(yīng)用技術(shù),。

  氮化鋁(AlN)在纖鋅礦結(jié)構(gòu)(wurtzite structure)中結(jié)晶,,因此表現(xiàn)出熱電和壓電特性,例如使傳感器對法向力和剪切力敏感,。

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  纖鋅礦結(jié)構(gòu)(wurtzite structure)

  TiN表現(xiàn)出高電導(dǎo)率(electrical conductivity)和大彈性模量(elastic modulus),,從而有可能用超薄梁結(jié)構(gòu)(ultrathin beams)實(shí)現(xiàn)靜電MEMS驅(qū)動(dòng)方案。此外,,TiN對生物的腐蝕具有高抵抗力,,這樣就有足夠的條件在生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用,。

  陶瓷MEMS的例子:MEMS生物傳感器的電子顯微鏡照片,MEMS生物傳感器在TiN接近底面的位置設(shè)計(jì)了一個(gè)50 nm厚度的可彎曲TiN懸臂,。由于梁夾在字母“X”形的結(jié)構(gòu)的中間,,當(dāng)光束向下彎曲時(shí),復(fù)位力會增大,,實(shí)現(xiàn)形變的功能,。

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(參考:M. Birkholz; K.-E. Ehwald; T. Basmer; et al. (2013). "Sensing glucose concentrations at GHz frequencies with a fully embedded Biomicro-electromechanical system (BioMEMS)".J. Appl. Phys.113(24):244904–2449048.Bibcode:2013JAP...113x4904B.doi:10.1063/1.4811351.PMC3977869.PMID25332510)

  聚合物衍生的陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDC)可以通過在惰性或反應(yīng)性氣氛中對適當(dāng)?shù)那绑w(precursor)進(jìn)行熱處理來制備而無需任何添加劑,。PDC具有出色的性能,,包括對氧化和腐蝕的穩(wěn)定性,以及在極高溫度下的抗結(jié)晶性和抗蠕變性,。適宜于針對MEMS和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)和成型,。

  PDC可以用作薄涂層,也可以通過澆鑄以及光刻法(lithography)成型,。光刻方法在CMi中得到利用,,優(yōu)化和組合。形成的模具被進(jìn)一步處理,,例如 通過兩次光子聚合(two photon polymerization,,2PP)來增加功能,或在內(nèi)部澆鑄前驅(qū)物之前涂上涂層以提高潤濕性(wettability)和脫模性(demoldability),。

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  材料之間是關(guān)聯(lián)的,,并不是某一個(gè)材料完全勝任MEMS的整個(gè)工藝,陶瓷材料也結(jié)合的聚合物一同實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,。

  PDC加工路線允許通過多種方式來調(diào)整所得陶瓷的組成和微觀結(jié)構(gòu),,從而調(diào)節(jié)機(jī)械或功能特性。從諸如聚硅氧烷(polysiloxanes)或聚硅氮烷(polysilazanes)的不同種類的所謂的陶瓷前聚合物(preceramic polymers,,PCP)開始,,可以添加填料、催化劑或引發(fā)劑,。通過熱處理或紫外線照射(UV-irradiation),,液態(tài)前體(liquid precursors)在交聯(lián)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤系纳鳎╣reenbodies)。隨后的熱解通常在惰性氣氛中在700°C至1600°C之間的溫度下進(jìn)行,,將生坯轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)(聚合物衍生的)陶瓷材料,,例如碳氮化硅(SiCN)或碳氧化硅(SiOC)。



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