MEMS的陶瓷材料如何選擇

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(lái)越多地應(yīng)用于MEMS制造中。陶瓷材料MEMS列表：

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(duì)法向力和剪切力敏感。

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(duì)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(huì)增大，實(shí)現(xiàn)形變的功能。

（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(guò)在惰性或反應(yīng)性氣氛中對(duì)適當(dāng)?shù)那绑w（precursor）進(jìn)行熱處理來(lái)制備而無(wú)需任何添加劑。PDC具有出色的性能，包括對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)兩次光子聚合（two photon polymerization，2PP）來(lái)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(rùn)濕性（wettability）和脫模性（demoldability）。

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(guò)多種方式來(lái)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(lèi)的所謂的陶瓷前聚合物（preceramic polymers，PCP）開(kāi)始，可以添加填料、催化劑或引發(fā)劑。通過(guò)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(wú)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）。

審核編輯：陳陳