用于MEMS的PZT壓電厚膜及硅基壓電懸臂梁的制備研究.pdf

1、新型、高性能MEMS器件對所用材料的結(jié)構(gòu)和性能有很高要求。PZT壓電薄膜以其優(yōu)異的介電、鐵電和壓電性能，成為MEMS應(yīng)用的研究熱點。本文利用改進的溶膠—凝膠技術(shù)在Au/Cr/SiO2/Si基片上制備了不同厚度的PZT壓電薄膜，得到了大于4μm的PZT厚膜，并以硅基PZT厚膜采用半導體微細加工工藝制備了PZT壓電方式驅(qū)動懸臂梁；系統(tǒng)地研究了PZT厚膜的制備工藝、微結(jié)構(gòu)和介電、鐵電、壓電性能及它們的相關(guān)性能。論文的主要工作包括：硅基PZT壓

2、電多層薄膜的制備工藝、壓電懸臂梁的優(yōu)化設(shè)計以及PZT壓電薄膜懸臂梁的制作工藝相關(guān)實驗研究。 基于改進的溶膠—凝膠法研究PZT厚膜的制備工藝，在傳統(tǒng)Sol—Gel法基礎(chǔ)上提出一種改進0-3復合法，即先將0維的PZT超細粉末混合到的PZT前驅(qū)液中，形成均勻、穩(wěn)定的漿料，在Au/Cr/SiO2/Si襯底上制備了PZT壓電厚膜。直接利用0-3復合法所獲得PZT漿料進行成膜，薄膜的表面粗糙，不利于在MEMS器件中使用，因此提出采用PZT溶

3、膠與在PZT溶膠中加入PZT微粉形成的漿料并交替涂覆薄膜的方法，并通過添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)抑制薄膜開裂，所獲得薄膜表面平整、無裂紋，厚度可達4μm。經(jīng)多次重復后，還可以提高PZT厚膜的厚度。采用此法制備的PZT厚膜，突破了PZT厚度的限制，并且重復性好、使PZT厚膜表面質(zhì)量得到改善。 通過硅基PZT壓電多層薄膜的制備工藝系統(tǒng)實驗研究，得到了PZT厚膜的介電、鐵電和壓電性能隨厚度的變化規(guī)律。采用負載法測量了PZT厚膜(4μ

4、m)的最大壓電特性常數(shù)d33為201pC/N；采用浮力法測量得到PZT厚膜的體積密度為4.31g/cm3；PZT厚膜的最大介電常數(shù)為808，在25V電壓下，PZT厚膜的剩余極化強度Pr為60μC/c㎡，矯頑場Ec為23kV/cm。測試結(jié)果表明：在Au/Cr/SiO2/Si結(jié)構(gòu)上PZT厚膜具有較好的壓電、鐵電、介電特性。 利用壓電方程，推導了硅基PZT懸臂梁彎曲位移的表達式，同時利用Intellisuite軟件對硅基PZT壓電懸臂

5、梁結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。分析了PZT薄膜的厚度、單晶硅的厚度、懸臂梁的長度、輸入電壓等因素對PZT壓電懸臂梁彎曲位移影響，討論了PZT壓電懸臂梁頻率特性，優(yōu)化了PZT壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。模擬得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為硅基PZT壓電薄膜懸臂梁結(jié)構(gòu)在MEMS微執(zhí)行器中的應(yīng)用提供了有價值的參考依據(jù)。 采用氧化、光刻、刻蝕等MEMS技術(shù)和改進的Sol—Gel工藝制備了硅基PZT壓電薄膜懸臂梁結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了PZT薄膜的制備技術(shù)與MEMS技術(shù)的兼容問題。