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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


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