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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
關鍵詞: 陶瓷材料 PDC MEMS

  利用材料特性進行有利組合,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用于MEMS制造中。陶瓷材料MEMS列表:

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  這個列表同時羅列出了一些應用技術。

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

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  纖鋅礦結構(wurtzite structure)

  TiN表現出高電導率(electrical conductivity)和大彈性模量(elastic modulus),從而有可能用超薄梁結構(ultrathin beams)實現靜電MEMS驅動方案。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學環境中使用。

  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接近底面的位置設計了一個50 nm厚度的可彎曲TiN懸臂。由于梁夾在字母“X”形的結構的中間,當光束向下彎曲時,復位力會增大,實現形變的功能。

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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性氣氛中對適當的前體(precursor)進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定性,以及在極高溫度下的抗結晶性和抗蠕變性。適宜于針對MEMS和生物醫學領域進行設計和成型。

  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,優化和組合。形成的模具被進一步處理,例如 通過兩次光子聚合(two photon polymerization,2PP)來增加功能,或在內部澆鑄前驅物之前涂上涂層以提高潤濕性(wettability)和脫模性(demoldability)。

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  材料之間是關聯的,并不是某一個材料完全勝任MEMS的整個工藝,陶瓷材料也結合的聚合物一同實現應用。

  PDC加工路線允許通過多種方式來調整所得陶瓷的組成和微觀結構,從而調節機械或功能特性。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、催化劑或引發劑。通過熱處理或紫外線照射(UV-irradiation),液態前體(liquid precursors)在交聯時轉變為融合的生坯(greenbodies)。隨后的熱解通常在惰性氣氛中在700°C至1600°C之間的溫度下進行,將生坯轉變為無機(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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