基于雙壓電PZT薄膜單元的懸臂梁式微力傳感器研究.pdf

1、MEMS技術(shù)的發(fā)展為基于壓電PZT薄膜和硅微加工技術(shù)的微傳感器和微執(zhí)行器研究帶來了新的機(jī)遇。壓電式微力傳感器的低能耗、高靈敏度、易于與壓電微執(zhí)行器集成等優(yōu)點(diǎn)使其具有良好的應(yīng)用前景。但是與目前較為成熟的壓阻式微力傳感器相比，壓電式微力傳感器的研究尚處于起步階段。本文基于PZT薄膜的微力傳感器為研究對(duì)象，以提高壓電微力傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)與壓電微執(zhí)行器的集成為目的，對(duì)PZT薄膜制備、表征以及PZT薄膜懸臂梁式微力傳感器的設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試進(jìn)行

2、了系統(tǒng)的研究。 1.采用溶膠-凝膠法在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備鐵電PZT薄膜，研究PZT薄膜的制備工藝、厚度對(duì)其微結(jié)構(gòu)及電性能的影響。通過改變Sol-Gel過程單次退火甩膠層數(shù)的方式，得到了一種可以簡(jiǎn)便地控制薄膜擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的新方法。研究結(jié)果表明，降低薄膜單次退火厚度有利于提高PZT薄膜的成膜質(zhì)量和電性能，主要表現(xiàn)在薄膜的臨界厚度得到了顯著提高，鐵電性能得到了增強(qiáng)。在深入研究鐵電薄膜自發(fā)極化對(duì)其壓電性能本質(zhì)性影響的基

3、礎(chǔ)上，基于逆壓電效應(yīng)，采用優(yōu)化的原子力顯微鏡技術(shù)測(cè)量和分析了鐵電PZT薄膜的縱向壓電常數(shù)d33。d33隨膜厚增加而增加，本文制備的PZT薄膜具有較好的壓電性。 2.進(jìn)行了壓電微力傳感器的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的壓電三明治微懸臂梁結(jié)構(gòu)不同，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了基于雙壓電PZT薄膜單元的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，包括雙層和雙片壓電PZT薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)。作為微力傳感器，雙層PZT薄膜壓電微懸臂梁結(jié)構(gòu)較單層PZT薄膜結(jié)構(gòu)具有更高的靈敏度；作為集傳感和執(zhí)行功

4、能于一體的智能器件，雙層和雙片壓電薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)可解決單一壓電單元同時(shí)作為傳感和執(zhí)行元件所帶來的耦合問題。首次建立了統(tǒng)一的基于多層-多片結(jié)構(gòu)的壓電微懸臂梁力-電轉(zhuǎn)換模型，本模型的最大特點(diǎn)是多層結(jié)構(gòu)的每層包括具有不同材料的多個(gè)片，有效地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有壓電懸臂梁模型的分析范圍。采用這一模型系統(tǒng)地分析了雙層和雙片PZT壓電薄膜微懸臂梁結(jié)構(gòu)在不同工作模式下的傳感和執(zhí)行性能。 3.研究了基于雙層和雙片PZT薄膜的壓電微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微加工工藝

5、。設(shè)計(jì)并采用了一種新的濕法和干法結(jié)合的體硅微加工流程，有效地避免了硅基壓電微懸臂梁釋放過程中PZT薄膜壓電結(jié)構(gòu)圖形的保護(hù)問題，為壓電懸臂梁制作提供了新的解決方案。分析并解決了雙層PZT薄膜高溫退火及刻蝕過程中涉及的關(guān)鍵工藝問題，為基于雙層PZT薄膜的MEMS結(jié)構(gòu)制作奠定了工藝基礎(chǔ)。采用本文制定的微加工工藝流程，成功制作了雙層和雙片PZT薄膜壓電微懸臂梁結(jié)構(gòu)。 4.對(duì)本文制作的懸臂梁式微力傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，集成雙層