ZnO压电薄膜压力传感器的研究

论文摘要

随着科学技术的发展,对传感器功能的要求也越来越高。采用MEMS工艺制作的ZnO压电薄膜压力传感器,具有体积小、易集成、灵敏度和信噪比高等优点。但是复合微悬臂梁式传感器制备工艺较难,各层薄膜工艺存在兼容性问题。本文主要对ZnO压电薄膜压力传感器进行了结构设计,通过研究MEMS加工工艺,设计了ZnO压电薄膜传感器的制备工艺流程,并制作出了复合微悬臂梁。首先设计了一种微悬臂梁结构式的ZnO压电薄膜压力传感器。建立了压电微悬臂梁的作用力与电荷量转换方程模型,同时研究分析了复合微悬臂梁的长度、宽度和厚度对输出电荷量的影响。然后研究分析了影响溅射法淀积ZnO压电薄膜性能的主要工艺参数,优化了薄膜制备工艺参数,成功制备出了致密、粘附性好的ZnO压电薄膜。结合实验室具体条件,以与工艺兼容的ZnO压电薄膜微力传感器为研究对象,避免了对ZnO层的腐蚀性问题。设计了ZnO压电薄膜微悬臂梁的制备工艺流程,同时设计了五张压电传感器的掩模版图。最后,根据实验设备条件,通过调整和改进以上的工艺步骤,对ZnO压电薄膜的制备及性能改进进行了研究。对影响实验质量的因素进行分析和讨论,得出了制备传感器各工艺步骤的具体工艺参数和实验数据。并完成了复合微悬臂梁结构的制作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 MEMS微力传感器研究现状
• 1.3 ZnO压电薄膜的基本特性及其应用
• 1.4 课题意义与研究的主要内容
• 2 ZnO压电薄膜微传感器的理论研究和结构设计
• 2.1 压电式传感器基本原理及压电方程
• 2.2 ZnO压电薄膜微悬臂梁传感器结构设计
• 2.2.1 压电微悬臂梁基本结构及原理
• 2.2.2 复合微悬臂梁结构设计
• 2.2.3 压电微悬臂梁的F-Q转换方程推导
• 2.3 压电微悬臂梁结构尺寸优化
• 2.4 本章小结
• 3 ZnO薄膜的制备
• 3.1 压电材料及压电效应
• 3.2 ZnO薄膜的制备方法
• 3.3 溅射法制备ZnO薄膜的基本原理
• 3.3.1 磁控溅射装置
• 3.3.2 磁控溅射基本原理
• 3.4 溅射法制备ZnO薄膜的工艺
• 3.5 本章小结
• 4 ZnO压电薄膜传感器制备技术研究
• 4.1 微机械加工技术
• 4.1.1 光刻技术
• 4.1.2 薄膜淀积技术
• 4.1.3 刻蚀技术
• 4.2 ZnO压电薄膜微悬臂梁制备的工艺流程
• 4.3 掩模板的设计
• 4.4 本章小结
• 5 ZnO压电薄膜传感器的制作与实验分析
• 5.1 ZnO压电薄膜微悬臂梁制备的关键工艺
• 5.1.1 ZnO压电薄膜层图形化研究
• 5.1.2 剥离法制备Cu上电极研究
• 5.1.3 ZnO压电薄膜微悬臂释放工艺
• 2并图形化'>5.2 正面生长SiO₂并图形化
• 5.2.1 工艺一：清洗硅片
• 2'>5.2.2 工艺二：硅片正面生长SiO₂
• 2图形化'>5.2.3 工艺三：正面SiO₂图形化
• 5.3 正面溅射Cu并图形化
• 5.3.1 工艺四：溅射Cu底电极
• 5.3.2 工艺五：底电极图形化
• 5.4 正面溅射ZnO并图形化
• 5.4.1 工艺六：溅射ZnO压电薄膜层
• 5.4.2 工艺七：压电层图形化
• 5.5 剥离法制备Cu上电极
• 5.5.1 工艺八：正面光刻胶图形化
• 5.5.2 工艺九：剥离法制备Cu上电极
• 2并图形化'>5.6 背面生长SiO₂并图形化
• 2'>5.6.1 工艺十：PECVD背面生长SiO₂
• 2图形化'>5.6.2 工艺十一：背面SiO₂图形化
• 5.7 双面ICP刻蚀Si
• 5.7.1 工艺十二：正面ICP刻蚀Si
• 5.7.2 工艺十三：背面ICP刻蚀Si释放微悬臂梁
• 5.8 本章小结
• 6 结论和展望
• 参考文献
• 在学期间取得成果
• 致谢