用于MEMS的PZT压电厚膜及硅基压电悬臂梁的制备研究

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/SiO2/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/SiO2/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d33为201pC/N；采用浮力法测量得到PZT厚膜的体积密度为4.31g/cm3；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/c㎡，矫顽场Ec为23kV/cm。测试结果表明：在Au/Cr/SiO2/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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2悬臂梁的研究及发展现状

1.2.1悬臂梁在传感器件中的应用研究及发展现状

1.2.2悬臂梁在微执行器件中的研究

1.3压电薄膜的概述

1.4 PZT压电厚膜制备的研究进展

1.5论文的意义及主要工作

第2章 Sol-Gel法制备PZT纳米粉及PZT薄膜

2.1 PZT纳米粉的制备技术

2.2 Sol-Gel技术

2.3 PZT纳米粉的制备

2.3.1原料的选取

2.3.2 PZT粉的制备工艺及主要技术参数

2.3.3 PZT粉体的XRD测试分析

2.3.4 PZT粉体的SEM扫描电镜

2.4 PZT薄膜的制备

2.4.1稳定的PZT溶胶的制备

2.4.2 PZT薄膜的制备

2.4.3 PZT薄膜的XRD测试分析

2.4.4 PZT薄膜的SEM表面形貌分析

2.5本章小结

第3章 多层PZT厚膜的制备

3.1多层PZT厚膜的结构设计

3.2多层PZT厚膜制备的工艺研究

3.2.1衬底、底电极、过渡层的选择与制备

3.2.2 PZT厚膜制备

3.3 PZT厚膜的测试分析

3.3.1 PZT厚膜XRD分析

3.3.2 PZT厚膜的SEM表面形貌分析

3.3.3电滞回线测试分析

3.3.4介电常数分析

3.3.5漏电流特性分析

3.3.6电容电压特性

3.3.7压电常数

3.3.8体密度

3.4本章小结

第4章 压电悬臂梁的传感原理与优化设计

4.1压电效应

4.1.1正压电效应

4.1.2逆压电效应

4.1.3压电方程

4.2硅基压电悬臂梁的弯曲位移模型

4.3计算机辅助设计

4.3.1 IntelliSuite结构体系

4.3.2建构3D模型

4.3.3 IntelliSuiteTM's Electromechanical Analysis模块的分析

4.4本章小结

第5章 硅基压电悬臂梁的制备及性能测试

5.1悬臂梁制备的关键工艺

5.1.1掩膜层的制备

5.1.2光刻工艺

5.1.3光刻掩膜版设计及制备

5.1.4扩散工艺

5.1.5腐蚀工艺技术

5.1.6反应离子刻蚀

5.2硅基PZT压电悬臂梁的制备

5.2.1 PZT悬臂梁制作工艺流程模拟

5.2.2 PZT压电悬臂梁制作工艺过程

5.3 PZT压电悬臂梁的频率与弯曲位移特性测试

5.4本章小结

结论

参考文献

读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢