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入门:MEMS的陶瓷材料如何选择

2023-01-26
来源:光电读书
关键词: 陶瓷材料 PDC MEMS

  利用材料特性进行有利组合,硅、铝和钛的氮化物(nitrides)以及碳化硅(siliconcarbide)和其他陶瓷越来越多地应用于MEMS制造中。陶瓷材料MEMS列表:

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  这个列表同时罗列出了一些应用技术。

  氮化铝(AlN)在纤锌矿结构(wurtzite structure)中结晶,因此表现出热电和压电特性,例如使传感器对法向力和剪切力敏感。

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  纤锌矿结构(wurtzite structure)

  TiN表现出高电导率(electrical conductivity)和大弹性模量(elastic modulus),从而有可能用超薄梁结构(ultrathin beams)实现静电MEMS驱动方案。此外,TiN对生物的腐蚀具有高抵抗力,这样就有足够的条件在生物医学环境中使用。

  陶瓷MEMS的例子:MEMS生物传感器的电子显微镜照片,MEMS生物传感器在TiN接近底面的位置设计了一个50 nm厚度的可弯曲TiN悬臂。由于梁夹在字母“X”形的结构的中间,当光束向下弯曲时,复位力会增大,实现形变的功能。

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(参考: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)可以通过在惰性或反应性气氛中对适当的前体(precursor)进行热处理来制备而无需任何添加剂。PDC具有出色的性能,包括对氧化和腐蚀的稳定性,以及在极高温度下的抗结晶性和抗蠕变性。适宜于针对MEMS和生物医学领域进行设计和成型。

  PDC可以用作薄涂层,也可以通过浇铸以及光刻法(lithography)成型。光刻方法在CMi中得到利用,优化和组合。形成的模具被进一步处理,例如 通过两次光子聚合(two photon polymerization,2PP)来增加功能,或在内部浇铸前驱物之前涂上涂层以提高润湿性(wettability)和脱模性(demoldability)。

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  材料之间是关联的,并不是某一个材料完全胜任MEMS的整个工艺,陶瓷材料也结合的聚合物一同实现应用。

  PDC加工路线允许通过多种方式来调整所得陶瓷的组成和微观结构,从而调节机械或功能特性。从诸如聚硅氧烷(polysiloxanes)或聚硅氮烷(polysilazanes)的不同种类的所谓的陶瓷前聚合物(preceramic polymers,PCP)开始,可以添加填料、催化剂或引发剂。通过热处理或紫外线照射(UV-irradiation),液态前体(liquid precursors)在交联时转变为融合的生坯(greenbodies)。随后的热解通常在惰性气氛中在700°C至1600°C之间的温度下进行,将生坯转变为无机(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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