MEMS技术特有材料是支撑微机电系统实现微型化、集成化和多功能化的核心基础，与传统宏观材料相比，这类材料需满足特殊加工工艺、极端尺寸效应及多学科交叉应用需求，形成了独特的材料体系，其特性与选择直接决定了MEMS器件的性能、可靠性和成本，涵盖基底材料、功能材料、封装材料等多个类别，且不同应用场景对材料的要求差异显著。
从基底材料来看,硅基材料仍是MEMS领域的主流选择，单晶硅因其优异的机械性能（高杨氏模约130-190GPa，低内耗）、成熟的半导体加工工艺兼容性以及良好的热稳定性，成为绝大多数精密传感器（如压力传感器、加速度计）的首选，多晶硅则常用于制作可动结构（如微悬臂梁、齿轮），其沉积工艺灵活，可通过低压化学气相沉积（LPCVD）精确控制厚度和应力，非晶硅（如α-Si）因具有较高的光吸收率，常用于MEMS光电器件（如图像传感器、太阳能电池），化合物半导体材料如硅锗（SiGe）合金，通过调整锗含量可带隙工程化优化电子迁移率，适用于高频MEMS器件（如RF滤波器）；氮化硅（Si₃N₄）则因其高绝缘性、化学惰性和抗辐射能力，常作为绝缘层或封装钝化层。
功能材料是赋予MEMS器件特定响应能力的关键,压电材料中，氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN）薄膜因与硅工艺兼容性好，常用于制作MEMS执行器（如微泵、微扬声器）和声表面波（SAW）器件，其中AlN的压电系数（d₃₃≈5pm/V）和稳定性更优，适合高精度传感；锆钛酸铅（PZT）陶瓷虽压电系数高（d₃₃可达300pm/V），但需单独工艺集成，多用于对性能要求极高的场景（如微位移器），热电材料如硅化铂（PtSi）、铋锗氧化物（Bi₂Te₃），利用塞贝克效应实现热能与电能转换，适用于MEMS能量采集器和红外传感器，磁性材料如坡莫合金（Ni�Fe）和铁氧体，通过电镀或溅射沉积制备微线圈或磁芯，用于MEMS磁传感器和微型执行器；形状记忆合金（如TiNi）则因相变驱动的形状记忆效应，可用于微型阀门或柔性驱动结构。
封装与牺牲层材料保障器件的稳定性和制造可行性,封装材料需满足气密性、应力匹配和散热需求：金属（如 Kovar合金、铝）封装机械强度高但热膨胀系数（CTE）需与硅匹配；陶瓷（如氧化铝、氮化铝）绝缘性好、导热优，适合高频器件；有机聚合物（如聚酰亚胺、PDMS）成本低、柔性好，适用于生物MEMS和可穿戴设备，但需解决湿气渗透问题，牺牲层材料需在器件释放过程中可选择性去除：磷硅玻璃（PSG）和硼硅玻璃（BSG）可通过氢氟酸（HF）湿法刻蚀去除，常用于多晶硅结构的间隙释放；金属（如铜、铝）牺牲层适用电化学刻蚀，适合复杂三维结构；光刻胶（如SU-8）则可用于临时支撑结构，通过氧等离子体灰化去除。
不同MEMS应用对材料的选择需综合权衡性能与工艺,汽车MEMS压力传感器需耐高温（>150℃）和抗振动，基底选用单晶硅，压电层用AlN，封装用Kovar合金；医疗MEMS传感器要求生物相容性，基底可选医用级硅，封装用PDMS或钛合金；消费电子MEMS（如手机加速度计）则侧重低成本与集成度，基底用SOI（硅片上绝缘体）晶圆减少寄生电容，封装用环氧树脂模压。
相关问答FAQs
Q1：为什么硅基材料仍是MEMS最主流的基底材料？
A1：硅基材料的核心优势在于其与半导体集成电路（IC）工艺的高度兼容性，可直接利用光刻、刻蚀、扩散等成熟微纳加工技术实现批量制造，大幅降低成本，单晶硅具有接近完美晶体的机械性能（高刚度、低滞后）、优异的热稳定性（熔点1414℃）和可控的电学特性，能满足绝大多数MEMS器件对精度、可靠性和环境适应性的要求，尽管存在脆性等局限，但通过结构设计和表面改性可有效克服，因此至今仍是MEMS领域不可替代的基础材料。
Q2：MEMS功能材料中，压电材料选择AlN还是PZT需考虑哪些因素？
A2：选择AlN还是PZT需根据器件性能需求、工艺兼容性和成本综合判断，AlN的优势在于与硅工艺兼容性好（可通过溅射沉积高质量薄膜）、介电常数低（有利于高频应用）、化学稳定性高且无铅环保，适合对集成度和可靠性要求高的场景（如SAW器件、微执行器），但其压电系数（d₃₃≈5pm/V）较低，驱动能力有限，PZT的压电系数（d₃₃可达300pm/V）远高于AlN，机电转换效率高，适合需要大位移或高灵敏度的器件（如微泵、超声换能器），但需单独的薄膜制备工艺（如 sol-gel法、磁控溅射），且含铅元素存在环保问题，通常需额外封装隔离，高频、小型化、集成化器件优先选AlN，而大功率、高灵敏度器件可选PZT。
