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用于MEMS的PZT压电厚膜及硅基压电悬臂梁的制备研究

刘红梅  
【摘要】: 新型、高性能MEMS器件对所用材料的结构和性能有很高要求。PZT压电薄膜以其优异的介电、铁电和压电性能,成为MEMS应用的研究热点。本文利用改进的溶胶.凝胶技术在Au/Cr/SiO_2/Si基片上制备了不同厚度的PZT压电薄膜,得到了大于4μm的PZT厚膜,并以硅基PZT厚膜采用半导体微细加工工艺制备了PZT压电方式驱动悬臂梁;系统地研究了PZT厚膜的制备工艺、微结构和介电、铁电、压电性能及它们的相关性能。论文的主要工作包括:硅基PZT压电多层薄膜的制备工艺、压电悬臂梁的优化设计以及PZT压电薄膜悬臂梁的制作工艺相关实验研究。 基于改进的溶胶-凝胶法研究PZT厚膜的制备工艺,在传统Sol-Gel法基础上提出一种改进0-3复合法,即先将0维的PZT超细粉末混合到的PZT前驱液中,形成均匀、稳定的浆料,在Au/Cr/SiO_2/Si衬底上制备了PZT压电厚膜。直接利用0-3复合法所获得PZT浆料进行成膜,薄膜的表面粗糙,不利于在MEMS器件中使用,因此提出采用PZT溶胶与在PZT溶胶中加入PZT微粉形成的浆料并交替涂覆薄膜的方法,并通过添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)抑制薄膜开裂,所获得薄膜表面平整、无裂纹,厚度可达4μm。经多次重复后,还可以提高PZT厚膜的厚度。采用此法制备的PZT厚膜,突破了PZT厚度的限制,并且重复性好、使PZT厚膜表面质量得到改善。 通过硅基PZT压电多层薄膜的制备工艺系统实验研究,得到了PZT厚膜的介电、铁电和压电性能随厚度的变化规律。采用负载法测量了PZT厚膜(4μm)的最大压电特性常数d_(33)为201pC/N;采用浮力法测量得到PZT厚膜的体积密度为4.31g/cm~3;PZT厚膜的最大介电常数为808,在25V电压下,PZT厚膜的剩余极化强度Pr为60μC/cm~2,矫顽场Ec为23kV/cm。测试结果表明:在Au/Cr/SiO_2/Si结构上PZT厚膜具有较好的压电、铁电、介电特性。 利用压电方程,推导了硅基PZT悬臂梁弯曲位移的表达式,同时利用Intellisuite软件对硅基PZT压电悬臂梁结构进行了优化设计。分析了PZT薄膜的厚度、单晶硅的厚度、悬臂梁的长度、输入电压等因素对PZT压电悬臂梁弯曲位移影响,讨论了PZT压电悬臂梁频率特性,优化了PZT压电悬臂梁结构。模拟得到的优化结构参数为硅基PZT压电薄膜悬臂梁结构在MEMS微执行器中的应用提供了有价值的参考依据。 采用氧化、光刻、刻蚀等MEMS技术和改进的Sol-Gel工艺制备了硅基PZT压电薄膜悬臂梁结构。实现了PZT薄膜的制备技术与MEMS技术的兼容问题。 最后对硅基PZT压电悬臂梁进行特性测试,利用非接触光技术测量了硅基PZT压电悬臂梁的动态弯曲位移和谐振频率的关系,测量结果与模拟结果相吻合,确定了硅基PZT压电悬臂梁的谐振频率。


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