LiNbO3压电薄膜的制备及在足底压力检测中的应用研究

论文摘要

人体足底压力分布反映有关足的结构、功能及整个身体姿势控制等情况。测试、分析足底压力可以获取人体在各体态和运动上的生理、病理力学参数和机能参数。这对临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究均有重要意义。根据人体步态分析的需求,本文设计了一种基于压电薄膜LiNbO3和PCD-300A数据采集分析仪的足底压力测量系统。其目的是为临床医学研究提供分析工具,提供测量数据,以提高医学研究的理论水平。利用压电传感器动态特性好的优点,提高了测量系统的动态响应能力,使得测量数据更精确,克服了传统传感器测量技术中动态测试能力低的缺陷。本文针对足底压力检测中的力—电转换原理进行分析,采用居里点高,动态性能好的LiNbO3材料进行压电式传感器的设计和制作。围绕LiNbO3薄膜的制备,分析比较了LiNbO3薄膜的常用制备方法,如:溅射法（sputtering）、脉冲激光沉积（PLD）法、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法和溶胶—凝胶（Sod-gel）法等。分析比较后决定采用RF射频磁控溅射法制备LiNbO3薄膜,并对溅射沉积原理和方法作了介绍,对射频溅射成膜原理进行了理论分析和重点阐述,主要工作如下:首先,利用RF磁控溅射法采用LiNbO3陶瓷靶溅射沉积薄膜,突破以往传统衬底材料创新采用了一种新型的衬底材料一橡胶,在功率为70W,氩氧比为1:9,压强为8×10-3Torr的工艺条件下成功地取得了质量较好的LiNbO3薄膜,为开发新型衬底材料提供了成功实例。其次,在制备LiNbO3薄膜的过程中对晶体的晶化动力学过程取向生长作了比较详细全面的分析。如形核机理的描述,晶粒生长过程中应力对薄膜取向生长的影响等。最后,进行了足底压力检测系统的设计,利用日本KOYAW公司的压电式传感器数据采集系统PCD-320A功能强大、数据采集迅速、操作简单等优点,联合自制的LiNbO3薄膜对人体足底压力进行检测,采集数据,并以波形和数据显示测试结果。本系统采用了PCD-300系列数据采集分析技术,简化了硬件电路,充分利用目前KOWAY公司PCD-30软件的丰富资源,设计了体积小,能实时测量,结果直观的测量系统,体现了医学仪器小型化的发展趋势,可以适应基本的医学研究需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题国内外研究现状
• 1.3 本课题研究的意义及内容
• 第二章 力—电转换原理及分析
• 2.1 力—电转换概述
• 2.2 压电效应
• 2.3 压电材料
• 2.3.1 压电晶体
• 2.3.2 压电陶瓷
• 2.3.3 新型压电材料
• 第三章 射频磁控溅射
• 3.1 引言
• 3.2 辉光放电
• 3.2.1 辉光放电及其物理基础
• 3.2.2 自流辉光放电
• 3.2.3 射频辉光放电
• 3.3 射频溅射原理
• 3.3.1 离子轰击固体表面所引起的各种效应
• 3.3.2 影响溅射沉积速率的因素及实验条件的选择
• 3.3.3 射频溅射特点及溅射膜的结构
• 3.4 磁控溅射
• 3.4.1 磁控溅射镀膜机理
• 3.4.2 溅射过程
• 3.5 溅射粒子的成膜过程
• 3.6 射频磁控溅射系统
• 第四章 溅射沉积铌酸锂薄膜
• 4.1 铌酸锂
• 4.1.1 铌酸锂的结构及特性
• 4.1.2 铌酸锂的物理性质及其主要特性
• 4.2 铌酸锂薄膜的制备技术
• 4.2.1 溅射法（sputtering）
• 4.2.2 脉冲激光沉积法（PLD）
• 4.2.3 溶胶—凝胶法（Sod-gel）
• 4.2.4 金属有机物化学气相沉积法（MOVCD）
• 4.3 不同方法制备的铌酸锂薄膜的性能
• 4.4 晶化动力学过程取向生长的分析
• 4.4.1 形核机理的简单描述
• 4.4.2 晶粒生长过程中应力对薄膜取向生长的影响
• 4.5 铌酸锂薄膜的应用及发展前景
• 4.6 溅射沉积铌酸锂
• 4.6.1 铌酸锂靶材
• 4.6.2 衬底材料的选择
• 4.6.3 参数设计及溅射沉积过程
• 第五章 足底压力检测系统设计
• 5.1 检测系统设计
• 5.2 压力检测的数据采集分析系统
• 5.2.1 PCD-320A数据采集分析仪
• 5.2.2 PCD-320A软件PCD-30A的主要操作
• 5.3 被检测对象和方法
• 5.4 压力检测结果与数据
• 第六章 总结与展望
• 6.1 小结
• 6.2 未来展望
• 参与科研
• 发表论文
• 致谢
• 参考文献