基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究

论文摘要

MEMS技术的发展为基于压电PZT薄膜和硅微加工技术的微传感器和微执行器研究带来了新的机遇。压电式微力传感器的低能耗、高灵敏度、易于与压电微执行器集成等优点使其具有良好的应用前景。但是与目前较为成熟的压阻式微力传感器相比，压电式微力传感器的研究尚处于起步阶段。本文基于PZT薄膜的微力传感器为研究对象，以提高压电微力传感器的灵敏度，实现与压电微执行器的集成为目的，对PZT薄膜制备、表征以及PZT薄膜悬臂梁式微力传感器的设计、制作、测试进行了系统的研究。采用溶胶-凝胶法在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上制备铁电PZT薄膜，研究PZT薄膜的制备工艺、厚度对其微结构及电性能的影响。通过改变Sol-Gel过程单次退火甩胶层数的方式，得到了一种可以简便地控制薄膜择优取向生长的新方法。研究结果表明，降低薄膜单次退火厚度有利于提高PZT薄膜的成膜质量和电性能，主要表现在薄膜的临界厚度得到了显著提高，铁电性能得到了增强。在深入研究铁电薄膜自发极化对其压电性能本质性影响的基础上，基于逆压电效应，采用优化的原子力显微镜技术测量和分析了铁电PZT薄膜的纵向压电常数d33。d33随膜厚增加而增加，本文制备的PZT薄膜具有较好的压电性。进行了压电微力传感器的新结构设计。与传统的压电三明治微悬臂梁结构不同，创新性地设计了基于双压电PZT薄膜单元的微悬臂梁结构，包括双层和双片压电PZT薄膜微悬臂梁结构。作为微力传感器，双层PZT薄膜压电微悬臂梁结构较单层PZT薄膜结构具有更高的灵敏度；作为集传感和执行功能于一体的智能器件，双层和双片压电薄膜微悬臂梁结构可解决单一压电单元同时作为传感和执行元件所带来的耦合问题。首次建立了统一的基于多层-多片结构的压电微悬臂梁力-电转换模型，本模型的最大特点是多层结构的每层包括具有不同材料的多个片，有效地扩展了现有压电悬臂梁模型的分析范围。采用这一模型系统地分析了双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁结构在不同工作模式下的传感和执行性能。研究了基于双层和双片PZT薄膜的压电微悬臂梁结构的微加工工艺。设计并采用了一种新的湿法和干法结合的体硅微加工流程，有效地避免了硅基压电微悬臂梁释放过程中PZT薄膜压电结构图形的保护问题，为压电悬臂梁制作提供了新的解决方案。分析并解决了双层PZT薄膜高温退火及刻蚀过程中涉及的关键工艺问题，为基于双层PZT薄膜的MEMS结构制作奠定了工艺基础。采用本文制定的微加工工艺流程，成功制作了双层和双片PZT薄膜压电微悬臂梁结构。对本文制作的悬臂梁式微力传感器的性能进行了测试。结果表明，集成双层压电薄

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 MEMS技术概述

1.1.1 MEMS技术的含义

1.1.2 MEMS技术国内外发展状况

1.2 压电效应与压电薄膜

1.2.1 压电效应

1.2.2 压电材料

1.2.3 压电铁电薄膜

1.3 PZT薄膜的制备及压电常数测试

1.3.1 PZT材料的结构特征

1.3.2 PZT薄膜的制备

1.3.3 PZT薄膜压电常数的测试

1.4 基于压电PZT薄膜的微机电系统

1.4.1 微机械加工技术概述

1.4.2 基于压电PZT薄膜的微传感器与微执行器

1.5 基于压电PZT薄膜的微力传感器

1.5.1 微力传感器概述

1.5.2 基于压电PZT薄膜的悬臂梁式微力传感器

1.6 本文的研究意义及内容

2 溶胶-凝胶法制备PZT薄膜及其微结构、电性能表征与分析

2.1 引言

2.2 PZT薄膜的溶胶-凝胶制备工艺

2.2.1 PZT前驱体溶液的合成及衬底的制备

2.2.2 PZT凝胶热演化过程分析

2.2.3 PZT铁电薄膜的制备

2.3 PZT薄膜的微结构表征与分析

2.3.1 表面和断面形貌分析

2.3.2 X射线衍射分析

2.4 PZT薄膜的电性能表征与分析

2.4.1 PZT薄膜的介电性能

2.4.2 PZT薄膜的铁电性能

2.5 本章小结

3薄膜纵向压电响应的测试与分析'>3 铁电Pt（Zr,Ti）O₃薄膜纵向压电响应的测试与分析

3.1 引言

3.2 基于逆压电效应的铁电薄膜压电常数测试理论分析

33,eff'>3.2.1 基于逆压电效应测试的薄膜材料的有效纵向压电系数d_33,eff

3.2.2 铁电薄膜在外电场作用下的压电效应

33测试原理和测试系统'>3.3 基于原子力显微镜（AFM）的铁电薄膜压电常数d₃₃测试原理和测试系统

3.3.1 AFM压电测试的工作模式及其对压电薄膜纵向变形的检测

3.3.2 AFM纵向压电变形信号的提取及优化的微探针-样品作用方式

33的定量计算'>3.3.3 纵向压电常数d₃₃的定量计算

3.3.4 AFM压电测试系统组建

33的测量与分析'>3.4 PZT薄膜纵向压电常数d₃₃的测量与分析

3.4.1 石英晶片标样测量

33测量与分析'>3.4.2 PZT铁电薄膜纵向压电常数d₃₃测量与分析

3.5 本章小结

4 基于双压电薄膜单元的硅基微悬臂梁结构设计及力-电转换分析模型

4.1 引言

4.2 基于双压电薄膜单元的微悬臂梁结构设计

4.2.1 压电双晶片的基本结构和工作原理

4.2.2 基于单层压电薄膜的微悬臂梁结构

4.2.3 基于双压电薄膜单元的微悬臂梁结构设计

4.3 多层-多片式压电微悬臂梁力-电转换分析模型

4.3.1 压电悬臂梁结构力-电转换分析模型概述

4.3.2 多层-多片压电悬臂梁分析模型

4.3.3 多层-多片压电悬臂梁的尖端位移及压电片上产生的电荷

4.4 双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁传感和执行性能分析

4.4.1 基于双压电PZT薄膜单元的微悬臂梁结构工作模式及性能分析

4.4.2 双层PZT压电薄膜微悬臂梁

4.4.3 双片PZT压电薄膜微悬臂梁

4.4.4 双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁比较

4.5 本章小结

5 基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁结构微加工工艺研究

5.1 引言

5.2 硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构微加工工艺设计

5.2.1 硅基双层和双片压电薄膜微悬臂梁结构模型

5.2.2 压电微悬臂梁释放工艺研究

5.3 硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构制作工艺研究

5.3.1 硅的各向异性湿法腐蚀

5.3.2 双层PZT薄膜制备的高温工艺兼容性研究

5.3.3 PZT薄膜压电结构电极层图形化工艺研究

5.3.4 PZT薄膜刻蚀工艺兼容性研究

5.4 硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构版图设计及制作流程

5.5 本章小结

6 基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器性能测试

6.1 引言

6.2 基于压电双晶片微力发生装置的微力传感器测试系统和测试方法

6.2.1 测试系统组建与分析

6.2.2 压电双晶片位移（δ）-电压（V）关系标定

6.2.3 压电微悬臂梁力常数k测量方法

6.2.4 压电微悬臂梁准静态力测量方法

6.2.5 压电微悬臂梁尖端驱动力测量方法

6.3 基于双压电PZT薄膜单元的微悬臂梁结构测试

6.3.1 双层PZT薄膜压电微悬臂梁结构传感性能测试

6.3.2 双片PZT薄膜微悬臂梁结构传感和执行性能测试

6.3.3 压电微悬臂梁频率特性测量

6.4 本章小结

结论

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

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