课程作业：微系统加工技术与材料

1． 具有代表性的微系统加工体系有几种？各种的特点是什么？

三种，分别是超精密机械加工制造技术、LIGA工艺制造技术和硅工艺制造技术

超精密机械加工制造技术

以日本技术为代表，来源于成熟的传统制造原理的微系统制造方法，得益于日本多年来精密机械加工技术的发展和超精密机械加工水平上的优势，精度值在0.1μm以下，Ra在0.02μm以下。

主要特点：可用材料比较多，能加工的零件尺寸范围宽，并且可以制造十分精致的复杂形状，但制造成本相对比较高，不太适合大批量的低成本制造，无法与微电子电路实现单片集成制造。

LIGA工艺制造技术

这种微系统制造方法来源于德国，由德国卡尔斯鲁厄市的德国卡尔斯鲁厄核技术研究中心发明。

LI-> Lithograpie -> lithography 光刻

G-> Galvanoformung -> Galvanoplasty 电铸

A -> Abformung 模铸

LIGA技术的主要特点：

能生产“厚”的三维立体微型结构零件，厚度可达数百微米。

可使用的材料相对广泛，可以用金属或塑料制造形状相对复杂的、厚实的微型零件，这些独特的优势可以满足许多卫星系统对结构设计的要求。

LIGA技术在微系统制造工业中被广泛推广和应用，成为微系统加工的一种重要特种微机械加工工艺。

其不足之处为掩模版、光刻技术难度大，成本高。

硅工艺制造技术

这是当前世界各国普遍采用的微系统加工工艺和方法，应用最广泛，主要有体硅工艺(减法工艺)和表面工艺(加法工艺)两种类型。

硅工艺制造技术的主要特点：

与微电子工艺兼容，是目前唯一可以与微电子电路实现单片集成制造的工艺

适合低成本的大批量微型零件和微系统器件的加工制造

可用于加工的材料种类相对有限制，但越来越丰富

适合尺度在0.01μm~1mm范围内的零件加工

能制造的器件的三维结构相对简单。

2． 硅的任何一种化合物都具有不同方面的优良特性，因此被用作不同目的。试列举硅的化合物的种类及其在微系统设计中的主要用途？

硅的化合物是最常用的薄膜功能结构材料，包括：SiC、Si₃N₄、SiO₂等

碳化硅(SiC)在高温下也有良好的尺寸稳定性和化学稳定性，而且碳化硅的硬度高，在微系统中常被用做隔离和保护层薄膜的材料、高温传感器结构。

氮化硅(Si₃N₄)在微系统结构中可以有效地阻挡水和离子（如钠离子）的扩散，防止水和其他有害液体流进微系统中。

二氧化硅(SiO₂)既是重要的隔热功能结构薄膜材料，同时也是重要的电气绝缘材料，也是必不可少的牺牲层工艺材料。

氮化硅(Si₃N₄)和二氧化硅(SiO₂)在较大的波长范围内都具有一定的光透性，而且其光学折射率不同，因此在微光学系统中常被制作成光学薄膜，用以实现光学增透、光学反射和光学滤波器功能。

3． 除了课程中介绍的基本材料外，越来越多的新型材料应用到了微系统中，试列出1~2例(2015年以后)，并说明材料特点及其在微器件中所起的作用。（为了尊重知识产权，请列出参考文献）

Mxene材料是一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。其特点是从形态上来看，MXene就像是金属氧化物中间被压扁的水凝胶，导电性能很强，完全可以替代电线中的铜和铝，这样一来离子移动时阻力会小很多，使用这种材料做电极可以又有柔韧性又薄

因此在电化学执行器中，有研究使用^[1]Mxene材料作为柔性电极材料，使执行器能承受较大的曲率。

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WS₂材料，具有独特的光电特性，由单层WS2和PbS胶体量子点异质结的场效应光晶体管（FEpTs）显示出高的光响应性（高达14a/W）、宽的电带宽（396hz）和优异的稳定性。^[2]

[1] Di Pang et al. Electrochemical Actuators Based on Two-Dimensional Ti3C2Tx (MXene)[J]. Nano Lett. 2019, 19, 10, 7443-7448

[2]Yu Yu et al. PbS-Decorated WS2 Phototransistors with Fast Response[J]. ACS Photonics 2017, 4, 4, 950-956