《课件3材料和工艺》PPT课件

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1、2007第3章微传感器的常用材料及加工工艺微型化作为传感器的主要发展方向,不仅是各应用领域需求推动的结果,也是科学技术发展的一个必然.没有相应的材料制备以及基础加工工艺的支持,要实现微传感器几乎是不可能的.传感器的微型化起源于半导体制造工业的技术进步，而MEMS技术的发展则是微传感器的最直接推动力。微传感器是目前最为成功、最具有实用性的MEMS器件。3.1材料的基本知识微传感器的敏感原理是一些物理现象或化学现象，而微传感器的具体实现则是依靠一些能有效表现这些现象的材料。材料对于微传感器的研究与制作都起着相当重要的作用。没有好的材料，就不可能有好的微传感器。20073.1.1材料的基本物理特性

2、一切物质，包括固体、液体和气体，都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。原子结构直接影响原子间的结合方式。若外电子层未填满，原子便试图获得额外电子，组成分子或聚合物。有4种主要键合类型，即离子键、金属键、共价键和范德瓦尔斯力。离子键是由不同极性离子之间的静电吸引所形成的。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键形成晶体——其原子按长距离三维图案排列，以降低总能量并维持电中性的固体。因为没有自由电荷，离子之间的强内聚力使得离子键形成的晶体具有低的电导率、相当高的熔融温度和良好的机械强度。2007金属键也是由静电力产生的。与离子键不同，这些静电力不

3、是在占据固定位置的电荷之间，而是在固定的正电荷与围绕固定金属正离子运动的电子云之间。金属中的自由电子来自于原子的最外层电子（价电子）。因此，金属具有规则的结构，但不需要特殊的原子排列来保证电中性，而是由群集的电子云维持电中性。金属中的晶体结构由原子的聚集能力决定。较小的原子可以通过半径较大的原子晶格扩散，如锗中的铜。金属的基本特点是电子的共有化。金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这使金属有良好的延展性。并且，由于自由电子的存在，金属一般都有良好的导电和导热性能。2007共

4、价键来源于与相邻原子共享电子的原子。两个或多个电极性相差不大的原子间通过共用电子形成化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价键形成的晶体稳定具有结构、熔点高、质硬脆等特点。范德瓦尔斯力出现在分子内部具有共价键的分子之间。由于电子的连续运动而使正电荷中心与负电荷中心不重合，故其偶极矩很小。范德瓦尔斯力属于物理键，是一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能要少1~2个数量级

5、。范德瓦尔斯力将有机分子维持在一起，形成内聚能很小的晶体，而且晶体的结构取决于分子聚集在一起的程度。不同的高分子聚合物有不同的性质，分子间的范德瓦尔斯力不同是一个重要因素。2007由于内聚力小，具有范德瓦尔斯力的材料的熔点和沸点都不高。另外，氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（如O、F、N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。原子中的电子只能占据确定的状态或能级,即使受到激发时也是如此.对应于未激发态的能级与对应于激发态的能级间隙等于使一个电子从基态跃迁到激发态所需能量的大小。大多数原子中都

6、有许多能级，各临近能级形成能带。固体的电子性质和能带结构密切相关。能带之间的相对间隔决定了材料的电导率，这对微传感器是一个有用的特性。2007根据结构，固体可以呈单晶态、多晶态、非晶态和玻璃态。晶体可以看成是完全填满空间的“晶胞”的周期性重复。晶胞可以用空间点阵来描述。原子不仅占据顶点，而且也能占据晶胞的中心、两个面或多个面的中心或它们的组合。方向和晶面用所谓米勒指数来表示。多晶材料（如金属和陶瓷等）由经晶界结合的大量随机取向的晶体（所谓晶粒）集聚而成。当晶粒足够小时，多晶材料的一些物理特性（如弹性模量、电导率和热膨胀）呈各向同性，尽管构成的晶体可能呈各向异性。非晶态固体（如树脂）没有有序原

7、子，它们是固化的液体。当冷却时，其黏度增大，因而阻碍晶体的形成和生产。玻璃具有短序列，但缺乏长序列。非晶态结晶的材料（如大多数聚合物）为非晶态，但部分晶化。20073.1.2导体、半导体和电介质材料有两类导体，即电导体（金属及其合金）和离子导体或电解液（酸、碱和盐溶液）。在微传感器中，金属还可以用来构成能使被测对象产生显著变化的电路元件，如电涡流微传感器中的线圈、电容微传感器中的极板、电化学微传感器中的电极等