MEMS兼容压电厚膜驱动技术

【摘要】： 微驱动技术是研制MEMS执行器的核心技术。MEMS兼容PZT压电厚膜驱动技术是很有发展前景的微驱动技术。论文对PZT压电厚膜制备工艺;硅基PZT厚膜元件压电驱动特性的测试技术;硅基PZT厚膜压电驱动结构的优化设计;以及PZT压电厚膜驱动无阀微泵的兼容工艺做了深入地理论与实验研究。 基于丝网印刷工艺实验研究了硅基PZT厚膜的成型技术,提出的退火套印方法可提高PZT厚膜的致密度。采用扫描电子显微镜及能谱分析仪对制备的PZT厚膜的成分,结构,及PZT与硅衬底间的互扩散现象等做了测试、分析,优化了硅基丝网印刷PZT压电厚膜工艺,将PZT厚膜的烧结(多晶化)温度最低降至800℃。 采用氧化、光刻、硅深刻蚀等MEMS技术和丝网印刷工艺制备了双杯硅基PZT压电厚膜驱动结构,和分布式硅基PZT压电厚膜驱动结构。这两种硅基PZT压电厚膜结构适合作为MEMS执行器的片内驱动机构,解决了压电厚膜驱动技术与MEMS技术兼容性差的问题。 在系统分析了现有压电材料、元件的压电驱动特性表征方法基础之上,提出可用压电常数d31′来表征硅基压电厚膜元件的压电驱动特性。搭建了悬臂梁光学法测量系统,测量了硅基PZT厚膜元件的压电驱动特性常数,d31′为-77.4×10-12m/V。用浮力法测量得到PZT厚膜的体积密度为3592 kg/m3。测试结果表明:研制的硅基PZT厚膜元件具有一定的压电驱动特性,丝网印刷PZT厚膜的体积密度较低。该测量技术也可用于其它压电厚膜元件的测试研究中。 采用有限元分析软件ANSYS对硅基PZT压电厚膜驱动结构进行了优化设计。比较了硅基压电厚膜和铜基压电陶瓷的静态形变、模态频率特性;优化了双杯硅基压电厚膜元件的结构参数;分析了膜片形状、结构,PZT厚膜在硅基片上的位置、分布等对硅基PZT压电厚膜的静态、模态驱动作用的影响。模拟得到的优化结构参数为硅基PZT压电厚膜驱动结构在微执行器中的应用提供了有价值的参考数据。 基于宏观流体力学的孔口出流现象,设计了一种结构简单的新型PZT厚膜驱动无阀微泵。该泵采用双杯硅基压电厚膜作为驱动元件,在驱动元件上加载非对称三角波时,微泵的入/出口沟道代替有阀微泵的进/出口单向阀门,可实现对微流体的整流。微泵制作工艺主要有:氧化,双面光刻,硅深刻蚀,静电键合,电化学打孔等MEMS技术和丝网印刷PZT厚膜工艺。经初步测试微泵具有泵送特性。微泵研制工作表明丝网印刷PZT厚膜工艺与微泵制作工艺兼容,实现了PZT厚膜在微执行器中的应用。 另外,采用压电陶瓷片作为驱动元件对该无阀微泵性能进行了测试,结果表明微泵具有良好的泵送特性。对流体在入/出口微沟道构成的薄/厚壁孔口中流动特性的分析具有理论意义。