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《大连理工大学》 2006年
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基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究

刘梦伟  
【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/SiO_2/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d_(33)。d_(33)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
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP212

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 林炜;马瑞新;;高温超导YBCO薄膜及其制备[J];微纳电子技术;2006年08期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 董晓坤;方勇纯;张玉东;;一种基于临近点集数据融合的AFM动态成像方法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
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6 蔡珣;;可调的透明导电膜研究进展[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(1)[C];2007年
7 孙福来;谭红琳;;溶胶-凝胶法制备ZnO:Al导电薄膜的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(2)[C];2007年
8 王志红;周宇;沈博侃;陈琨;;TbFe磁性薄膜的磁力显微镜成像研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(3)[C];2007年
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10 李小伟;赵海发;;电容传感器的原理及在汽车行业中的应用[A];第四届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 宋静;小分子化合物J2作用于大鼠角膜细胞的体外及体内实验研究[D];中国人民解放军军医进修学院;2011年
6 赵婧;基于金纳米颗粒构建新型生物传感器的研究[D];南京大学;2011年
7 张丽;Fe基双相纳米复合材料的制备与高频性能的研究[D];电子科技大学;2011年
8 孙晋美;贝壳珍珠母微纳结构的稳定性与力学性能关联的研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 富东慧;骨压电电压信号特征的实验研究[D];天津大学;2008年
10 谷磊;海洋微结构剪切流传感器及其载体设计方法与实验研究[D];天津大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张萍;激光合成波长干涉技术的信号处理方法研究[D];浙江理工大学;2010年
2 石琢;纤维/颗粒—树脂基层合复合材料的吸声性能研究[D];浙江理工大学;2010年
3 任泉;基于光纤传感的细纱小张力检测技术研究[D];浙江理工大学;2010年
4 管宇;一种低频三维MEMS矢量水听器的研制[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 陶新洲;基于三迭片式加速度计的二维矢量水听器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 陈星如;基于In_2O_3纳米材料的甲醛气敏元件研究[D];大连理工大学;2010年
7 刘博;硅基微结构SnO_2气体传感器结构改进研究[D];大连理工大学;2010年
8 王丹;提升机动载荷作用下井塔振动分析与寿命预测[D];辽宁工程技术大学;2009年
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10 沈飞飞;基于组件的海洋监测软件系统的设计与实现[D];中国海洋大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 任兴仑;振动控制的主被动混合阻尼结构的研究[D];华侨大学;2002年
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3 李仁锋;MEMS高g值加速度计设计技术研究[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2003年
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10 刘红梅;MEMS器件用PZT薄膜的制备及性能研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 张亚婷;丑修建;郭涛;熊继军;;振动驱动微能源技术研究进展[J];微纳电子技术;2012年04期
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 陈新隽;刘晓平;戴若犁;刘昊扬;;多MEMS传感器的嵌入式姿态测量系统设计[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年
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7 于华男;张勇;马小艳;;制导弹药用MEMS惯性导航系统发展与关键技术综述[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
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9 胡星星;滕云田;;基于MEMS传感器的小型智能化强震仪[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年
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5 刘恕;微机电系统:从能看到能用[N];科技日报;2005年
6 ;Intel悄然推出手机MEMS模块[N];计算机世界;2004年
7 本报记者 徐勐 通讯员 苏媛;国家高新区MEMS研究院落户淄博[N];淄博日报;2010年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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6 孟丽娜;基于MEMS的微驱动器研制及其特性研究[D];黑龙江大学;2005年
7 苑海静;船用MEMS航姿测量系统算法研究与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 牛凯;4×4MEMS光开关阵列的设计与实验研究[D];清华大学;2004年
9 赵磊;梳齿式MEMS光开关的分析与改进[D];西安电子科技大学;2010年
10 孙发威;扭臂式MEMS光开关的建模与优化[D];西安电子科技大学;2010年
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