微电子机械系统(MEMS)中的铁电器件

　　1　引　　言

　　MEMS是Micro Electric Mechanical System的缩写,通常指的是特征尺度大于1μm小于1mm,结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置,也称为微机械(Micromachining)。MEMS是个大家族,它包括的范围很广,其中最主要的研究方向是微传感器和微执行器。

　　2　新趋势——将铁电材料集成于MEMS

　　在MEMS传感器和执行器中,我们综合了多方面的知识,例如机械、化学、热力学及能量辐射探测等方面。而这里我们主要关注用压电材料做的传感器和执行器。铁电材料,特别是具有ABO3结构的材料具有很高的压电系数,其中最具代表性的是PZT系统。现在,我们要将PZT材料集成到MEMS的微传感器和微执行器中去。

　　结合铁电材料的MEMS微传感器和微执行器必然是今后的发展趋势。相对于其他物理的传感和传动机制,这种压电基础上的MEMS器件由于其在传感应用中的高敏感性、低电噪声和在执行器应用中的高输出而受到广泛的关注。

　　压电基础上的MEMS的理论基础[1]:

　　因为铁电材料有很多优点,所以它适合做MEMS的微传感器和微执行器:

　　(1)铁电材料有很高的压电常数,例如PZT系统可以在一般的输入下产生很大的输出。

　　(2)铁电材料可以极化,在电场中极轴可以成一定角度。所以,可以使用随机定向多晶材料。相反的,非铁电多晶材料的压电效应要求颗粒的晶轴必须排成一行。

　　(3)具有驰豫现象的铁电材料有很高的介电常数,有很大的电致伸缩的应变和很小的磁滞现象。

　　(4)铁电材料是绝缘体,若不做机械功就没有能量损耗,即使加电压,无机械工作也不耗散能量。

　　(5)因为有其他领域深入的研究作为基础,如在非易失性记忆方面,所以,铁电材料有很广泛的研究基础和技术支持。

　　不可否认,铁电材料也有缺点:

　　(1)存在磁滞现象

　　(2)漏电

　　(3)压电常数的疲劳

　　(4)弹性脆化

　　(5)有限的应变能力

　　(6)有限的机械强度(在压力情况下比在拉力的情况下显著)

　　然而,铁电材料的优点还是更突出的,这一点可以用近年来报道的各类的铁电执行器、铁电传感器来证明,如微阀门、微泵、微马达。因为微传感器和执行器种类繁多,所以我们集中介绍最新的几种。

　　3　应用举例

　　3.1　微传感器——应用于眼部手术的传感器

　　手术中的微传感器代表了MEMS技术的新应用。这里着重讨论了用装在手术工具上的压电材料来控制被挤压组织的切割[2]。在要求精确切除的手术中,实时反应可以提供给医生足够的信息,做出正确的判断。用超声波的白内障切除手术是美国最流行的手术之一,每年大约有160万的人在做这个手术。在这种手术中,坚硬、混浊的人眼角膜被锐利的超声波切割针分　　割。因为眼科医生不能直接看清切割针下的变化,在角膜被分割时,其下面较软的组织有时会被无意识的破坏。这种破坏通常需要相当长的时间来恢复,而且不可避免地导致病情的加重,例如感染青光眼,甚至导致失明。手术的成功率全部依赖医生的技术和经验。