基于MEMS的壓電超聲技術(shù)的研究.pdf

1、本文主要研究基于MEMS的壓電超聲技術(shù)，包括超聲檢測、超聲微流體驅(qū)動技術(shù)和ZnO壓電薄膜材料及器件的研究，研究課題屬于當前微機電系統(tǒng)中較為前沿和創(chuàng)新的學科領(lǐng)域，如下所述： 1、超聲共振譜技術(shù)(Resonant Ultrasound Spectrum，簡稱RUS)是上個世紀九十年代發(fā)展起來的一種表征材料特性的方法，該方法成為現(xiàn)代超聲檢測的較為常用的技術(shù)手段，其測量的范圍廣泛，在MEMS領(lǐng)域內(nèi)，可用于微型器件的檢測。在RUS測量過程

2、中，試件樣品通常被夾在兩片壓電換能器之間，壓電換能器可以采用PZT或其他的壓電陶瓷或晶體。但是，因為壓電片表面是光滑的，試件難以準確地夾在兩片壓電片中間并且保證每次測量裝夾的位置都一致，從而降低測量準確性，尤其當試件很小時，這種影響更為顯著。針對此問題，本文提出并設(shè)計了一種新型的超聲檢測換能器結(jié)構(gòu)，并對它進行分析。 通過與單獨PZT-4換能器結(jié)構(gòu)進行分析比較，PZT/Si復合結(jié)構(gòu)的靜力位移偏差很小，約為2％，其各階共振頻率與單獨

3、PZT-4相差不大，這些分析表明本文所設(shè)計的PZT/Si復合壓電換能器的工作靈敏度受影響微小，可以用于超聲共振譜的測量當中。最后利用MEMS技術(shù)制造出了該復合換能器件的初步結(jié)構(gòu)。 2、微流體技術(shù)是MEMS領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展迅速的一門學科，其應(yīng)用廣泛，如DNA及一些生物分子的測試應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測、噴墨打印以及LED、“芯片實驗臺”和一些IC芯片等的散熱系統(tǒng)。在微流體學科領(lǐng)域內(nèi)，利用超聲技術(shù)驅(qū)動與操控微流體近幾年成為研究熱點，相比其他微流體技

4、術(shù)具有很大的研究價值和潛力。聲流是超聲應(yīng)用中較為常見的現(xiàn)象，是聲波在流體介質(zhì)中傳播由于流體黏性而衰減產(chǎn)生的非定向流動，超聲流作為高頻聲波在流體中的傳播，可以驅(qū)動流體運動。超聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷氧化鋅拓展使得超聲流的應(yīng)用研究也越來越廣泛，隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，所制造的微裝置尺寸越來越小，聲流在微管道內(nèi)的運動不同于傳統(tǒng)的管道，當前有大量的關(guān)于聲流應(yīng)用的實驗研究，卻缺乏對于微尺寸管道內(nèi)聲流的系統(tǒng)理論分析，因此很有必要進行微管道內(nèi)聲流的研

5、究。 本文對設(shè)計的MEMS微流體裝置中微管道內(nèi)聲流進行系統(tǒng)的研究，即利用PZT壓電片激勵MEMS微流體裝置，使得聲波在管道內(nèi)傳播，產(chǎn)生的驅(qū)動力引起微管道內(nèi)部聲流的運動。應(yīng)用流體動力學的基本理論，對聲波在管道內(nèi)部傳播時產(chǎn)生的聲場驅(qū)動力和聲流運動進行分析。通過分析可以得到振幅為10nm，聲波頻率為200KHz～1MHz時，流速可達到1～9mm/s。根據(jù)這些分析，我們可以利用超聲方法對MEMS微流體裝置進行驅(qū)動控制以便應(yīng)用在粒子輸送和

6、微管道冷卻等方面。 3、ZnO作為壓電薄膜具有較低介電常數(shù)和較高的機電耦合系數(shù)，可用于MEMS麥克風、微加速度傳感器以及體聲波共振器件等微傳感和執(zhí)行器件中，在MEMS領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，為了滿足壓電超聲技術(shù)中超聲波的激勵需求，本文研究在不同材料襯底上利用磁控濺射法生長高質(zhì)量ZnO作為壓電薄膜，同時，為了實現(xiàn)ZnO薄膜器件微制造與IC工藝的兼容，本文還在實驗的基礎(chǔ)上考慮利用Al材料作下電極的壓電器件的加工工藝。 實驗

7、中采用了磁控濺射法在不同襯底上生長厚約1～2μm的ZnO薄膜，通過實驗對樣品進行XRD和SEM測試，來研究磁控濺射過程中工藝參數(shù)、襯底及退火工藝對ZnO薄膜質(zhì)量的影響，從而獲得制備高質(zhì)量薄膜的工藝技術(shù)以滿足壓電性能的要求。結(jié)果表明，表面沉積SixNy薄膜的硅片上生長的ZnO薄膜比表面濺射鋁膜的硅片上的C軸擇優(yōu)取向生長特性好，選擇合適的退火處理工藝可使晶體質(zhì)量有所改善。在此基礎(chǔ)上，為了能夠與CMOS工藝兼容，開發(fā)了仍然采用Al作為底電極但