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2007-03-08 MEMS课程讲义-MEMS基础理论 微机械电子系统(MEMS) 第二章-MEMS基础理论 提纲 MEMS——作为器件和系统 MEMS 所涉及技术 MEMS 与仪器科学 MEMS 基础理论 微尺度效应 MEMS 材料知识 MEMS ——作为器件和系统 宏观（概念） MEMS是器件（传感器、执行器） MEMS是系统（复杂MEMS应用装置） MEMS是信息系统（信号处理、信息决策……） MEMS是控制系统（振动控制、闭环系统……） MEMS是物理系统（具有结构、材料、工艺……） 系统＜器件：器件比系统“重要” MEMS 所涉及理论或技术 MEMS中的仪器学科 MEMS 与仪器科学 MEMS基础理论 微尺度效应 硅材料理论技术 系统级理论技术 方法、工具、手段 微尺度效应 Ln规律 水中物体运动规律 微尺度效应 常用数量级 长度 L 表面积 S∝L2 体积 V∝L3 质量 m∝L3 动量 mv∝L4 动能 mv2∝L5 微尺度效应 常用数量级 压力 Fp∝L2 重力 mg∝L3 惯性力 ma∝L4 摩擦力 Ff∝L2 弹性力 ESΔL/L∝L2 微尺度效应 常用数量级 线弹系数 K∝L 固有频率 ωn∝L-1 转动惯量 I∝L5 重力挠度 m/K∝L2 雷诺数 Re∝L2 微尺度效应 常用数量级 热传导 λΔTA/d∝L 热对流 hΔTS∝L2 热辐射 CT4S∝L2 微尺度效应 常用数量级 静电力 εSE2/2∝L0 电磁力 μSH2/2∝L4 热膨胀力 ESΔL/L∝L2 微尺度效应 运动参数尺寸效应 微尺度效应 “泛”尺寸效应 机器领域 飞机的诞生 电子学线路 生物界 病毒→单细胞生物→昆虫→哺乳动物→恐龙 宇宙范围 天体的“尺寸效应” “泛”尺寸效应 微尺度效应 非线性是常态 线性是非常态 要建立非线性思维方式 MEMS材料 MEMS材料 硅材料 优良的物理化学性能 密度铝，强度不锈钢，硬度、弹性、疲劳…… 耐某些腐蚀、耐高温 工艺兼容性、易于集成 批量成本低廉 材料来源丰富 常用：Si, Poly-Si, SiO2, SiC, Si3N4 图1 单晶硅棒 图2 硅晶圆 硅材料 单晶硅 宏观特性参数 微观形态——硅晶体学知识 单晶硅制造工艺 单晶硅 宏观特性参数 单晶硅 微观参数 原子密度 5e22 atoms/cm3 原子量 28.086 晶格结构 钻石（Diamond） 晶格常数 5.4310A 能隙1.11eV 单晶硅 硅晶体学特性 晶格结构：钻石(Diamond)结构 本征硅晶格结构 硅共价键示意图 相关术语 Silicon Intrinsic Silicon Doped Silicon Crystal Structure Diamond Lattice 单晶硅 晶向、晶面与米勒指数 晶向：[ ] ([1,0,-1]) 晶向族： (110) 晶面： ( ) ((113)) 晶面族：{ }({311}) 图3 Diamond结构的晶面 晶体学常识 经典晶体学(直观、猜想) 面角守恒定律(1669,斯丹诺[意]) ——晶面平行生长 晶胞学说(1784,阿羽衣[法]) ——晶体解理性 有理指数定律(1801,阿羽衣) ——外形与内部结构的联系 反射测角仪(1809,乌拉斯顿) 晶体对称定律，六大晶系，晶带定律(180x,外斯[德]) 晶体外形对称性32种点群(1830,赫塞尔[德]) 晶面空间方位的晶面符号(1839,米勒[英]) 空间点阵学说(1855,布喇菲[法]) ——晶体粒子规则排列 晶体外形为面网密度大的晶面包围(1866,布喇菲) 最小表面能原理(皮埃尔·居里) 石英晶体 面角守恒定律 后来发现：同种晶体，尽管形态随生长环境的变化而变化，但对应晶面间的夹角不变。在此基础上，人们开始测量晶面夹角，并根据测角数据进行晶面投影，从而恢复了晶体的理想形态。 面角守恒定律： 同种晶体，对应晶面间的夹角恒等。 面角： 任意两晶面法线之间的夹角。 传统测量仪器 单圈反射测角仪构造 晶体学常识 近代晶体学 (实验验证) 微观“尺子”：X射线，波长0.01-1nm 劳厄[德]1912实验(1914诺贝尔物理学奖) 晶体衍射效应——X射线晶体学 布喇格－吴里弗公式 发现：绝大多数固体＝晶体 定义：微观粒子规则排列的物体 晶体学常识 单晶体、多晶体、非晶体 晶体≠规则外形 内部规则性 短程有序 长程有序——真正定义 晶体含义 晶体学常识 人造晶体方法 溶液法 熔体法 气相法 相变动力学 完整光滑突变晶体界面模型 硅材料的制造 多晶硅 制造单晶硅的原料：99.999 999 999% 步骤 1. 硅砂(SiO2