（机械电子工程专业论文）基于双压电pzt薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究.pdf

大连理：【大学博士学位论文 摘要 m e m s 技术的发展为基于压电p z t 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p z t 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p z t 薄膜制备、 表征以及p z t 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。 采用溶胶一凝胶法在t i s i 0 2 s i 衬底上制备铁电p z t 薄膜，研究p z t 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s o l g e l 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p z t 薄膜的成膜质量和电性能，主要表现在薄膜的i 艋界厚度得 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 p z t 薄膜的纵向压电常数以3 。如3 随膜厚增加而增加，本文制备的p z t 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p z t 薄膜单元的微悬臂梁结构，包括双层和双片压电p z t 薄 膜微悬臂梁结构。作为微力传感器，双层p z t 薄膜压电微悬臂梁结构较单层p z t 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一多片结构的压电微悬臂梁力一电转换模型，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p z t 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p z t 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p z t 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p z t 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p z t 薄 膜的m e m s 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p z t 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 。， 基于双压电p z t 薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究 膜的微力传感器较单层压电薄膜结构的性能得到了显著提高，双层串联接法压电p z t 薄膜悬臂梁式微力传感器灵敏度和力分辨率分别达到8 8 3f c p n 和11 3n n 。双片p z t 薄膜微悬臂梁结构作为传感和执行功能集成器件，传感元件最大灵敏度为8 3 0f c , 7 n ， 力分辨率为1 2 0n n ；执行元件最大尖端驱动力为1 7 3 7 4 - 0 3 6i _ t n v 。最后分析了测试结 果，并与理论结果进行了比较。 关键词：m e m s ；p z t 薄膜；双压电薄膜单元；微悬臂梁；微力传感器 大连理工大学博士学位论文 m i c r o f o r c es e n s o r sb a s e do nm i c r o c a n t i l e v e r sw i t ht w op i e z o e l e c t r i c p z tt h i n f i l me l e m e n t s a b s t r a c t t h e s t u d y o fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ( m e m s 、h a ss h o w ns i g n i f i c a n t o p p o r t u n i t i e sf o rm i c r o s e n s o r sa n dm i c r o a c t u a t o r sb a s e do np i e z o e l e c t r i cp z tf i l m sa n d s i l i c o nm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o f o r c es e n s o r so f f e ral o to f a d v a n t a g e sf o rm e m sa p p l i c a t i o n ss u c ha sl o wp o w e rd i s s i p a t i o n ，h i 曲s e n s i t i v i t y ，a n de a s i l y i n t e g r a t e d 丽t l lp i e z o e l e c t r i cm i c r o a c t u a t o r s i ns p i t eo fm a n ya d v a n t a g e sa b o v e t h er e s e a r c h e f f o r t sa r er e l a t i v e l yl i m i t e dc o m p a r e dt op i e z o r e s i s t i v em i c r o f o r c es e n s o r s i nt h i st h e s i s ，i n o r d e rt oi n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o f o r c es e n s o r s ，a n di n t e g r a t ew i t ht h e p i e z o e l e c l r i cm i c r o a c t u a t o r s ，p z tt h i n f i l mm i c r o f r o c es e n s o r sa r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di n t e r m so ft h ed e p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h ep z tt h i nf i l m s ，d e s i g n ，f a b r i c a t i o na n d t e s t i n go f t h em i c r o f o r c es e n s o r sb a s e do nm i c r o c a n t i l e v e rs t n l c t u r e s f e r r o e l e c t f i cl e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ( p z t ) t h i nf i l m sa r ed e p o s i t e db ys o l g e lm e t h o do n p t t i s i 0 2 s is u b s t r a t e s t h ee f f e c t so fd e p o s i t e dp r o c e s sa n df i l mt h i c k n e s so nt h e m i c r o s t r u c t u r e s ，c r y s t a l l i n ep h a s e sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ft h ep z tf i l m sa r ei n v e s t i g a t e d an o v e lm e t h o di sp r e s e n t e dt oc o n t r o lt h ec r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o no ft h ep z tt h i nf i l m s b ym o d i f y i n gt h ec o a t i n gl a y e r si no n ea n n e a l i n gc y c l eo f t h es o l g e lp r o c e s s 1 1 1 ef i l mq u a l i t y a n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f t h ep z tf i l m si n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s i n go f f i l mt h i c k n e s si no n e a n n e a l i n gc y c l e n l ec r i t i c a lt h i c k n e s si si n c r e a s e d a n db e t t e rf e r r o e l e c t f i cp r o p e r t i e sa r e o b t a i n e d n l ei n f l u e n c eo ft h es p o n t a n e o u sp o l a r i z a t i o no nt h ep i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e so f f e r r o e l e c t r i cf i l m si si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，l o n g i t u d i n a l p i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t sd 3 3o f p z t t h i nf i l m sa r em e a s u r e du s i n gt h eo p t i m i z e da t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ( a f m ) m e t h o d n l ep z tf i l m sd e m o n s t r a t eg o o dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e st h a t i n c r e a s ew i t ht h ef i l mt h i c k n e s s d e v i c es t r u c t u r e so ft h ep i e z o e l e c t r i cm i c r o f o r c es e n s o r sa r ed e s i g n e d d i f f e r e n tf r o m t h ec o n v e n t i o n a lp i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r sw i t hap i e z o e l e c t r i cf i l ms a n d w i c h e db e t w e e n t w om e t a le l e c t r o d e so nc a n t i l e v e rs t r u c t u r e s t w on o v e i p i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r s t r u c t u r e sw i t ht w op i e z o e l e c t r i ce l e m e n t s ，i n c l u d i n gb i m o r p ha n dt w o s e g m e n tp z tf i l m s a r e d e s i g n e d t h eb i m o r p hp i e z o e l e c t r i c m i c r o c a n t i l e v e r sw i l l i m p r o v et h es e n s i n g p e r f o r m a n c eo fm i c r o f o r c es e n s o r s ，c o m p a r e dt ou n i m o 础p i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r s a s av e r s a t i l ed e v i c ei n t e g r a t i n gt h es e n s i n ga n da c t u a t i n gf i m c t i o n s ，t h et w op i e z o e l e c t r i c e l e m e n t so ft h eb i m o r p ho rt w o - s e g m e n tp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e r sc a nb eu s e df o rt h es e n s i n g a n da c t u a t i o ne l e m e n t s r e s p e c t i v e l y n l ec o u p l i n gp r o b l e mi n d u c e db yo n ep i e z o e l e c t r i c 基于双压电p z t 薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究 e l e m e n tc a nb ea v o i d e d an o v e lu n i f i e dm o d e lf o rm u l t i p l e - l a y e rc a n t i l e v e rd e v i c e si s p r o p o s e d ，i nw h i c he v e r yl a y e rc o n s i s t so fs e v e r a ls e g m e n t sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s u s i n g t h i sm o d e l ，t h es e n s i n ga n da c t u a t i o nc a p a b i l i t i e so nd i f f e r e n tw o r k i n gm o d e so ft h eb i m o r p h a n dt w o s e g m e n tc a n t i l e v e r sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h em i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e sf o rp i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r sb a s e do nb i m o r p ha n d t w o s e g m e n ts o l g e l p z tf i l m sa r e i n v e s t i g a t e d a s an e wf a b r i c a t i o np r o c e d u r ef o r p i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r s ，t h ew e ta n dd r yc o m b i n e db u l km i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e sa r e d e v e l o p e di no r d e rt oe l i m i n a t et h es t e po fe n c a p s u l a t i n gt h ep z t a n de l e c t r o d el a y e r s n e k e yt e c h n i q u e sr e l a t e dt ob i m o r p hp z tf i l m si n c l u d i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n ga n d e t c h i n gp r o c e s s e sa r ei n v e s t i g a t e d t h e s em i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e sa r ee x p e c t e dt op r o v i d e g o o dr e f e r e n c e sf o rt h ef a b r i c a t i o no f m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m sb a s e do nb i m o r p hp z t f i l m s n eb i m o r p ho rt w o s e g m e n tp z tf i l m sp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e r sa r es u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e du s i n gt h em i c r o f a b r i c a t i o np r o c e s s e sr e p o r t e di nt h et h e s i s t h em e a s u r e m e n t so ft h em i c r o f o r c es e n s o r sb a s e do np i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r s w i t ht w op z tf i l me l e m e n t sa r ec a r r i e do u t t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a ts e n s i n ga b i l i t i e so f b i m o r p hp i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e re n h a n c ec o m p a r e d t ot h eu n i m o r p hp i e z o e l e c t r i c m i c r o c a n t i l e v e r s t h ef o r c es e n s i t i v i t yo f8 8 3f c # t na n dt h er e s o l u t i o no f1 1 3n na r e r e a l i z e df o rt h es e r i e sb i m o r p hp z tf i l mp i e z o e l e c t r i cm i c r o c a n t i l e v e r t h et w o s e g m e n t m i c r o c a n t i l e v e rw a sm e a s u r e da sas t r u c t u r ei n t e g r a t e dm i c r o s e n s o ra n dm i c r o a c t u a t o r t h e m a x i m a lf o r o es e n s i t i v i t ya n dr e s o l u t i o no ft h es e n s i n ge l e m e n ta r e8 3 0f c i x na n d12 0n n r e s p e c t i v e l y t h em a x i m a la c t u a t i o nf o r c eo f1 7 3 7 o 3 6u n ，vi sg e n e r a t e do nt h ea c t u a t i o n e l e m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r b dw i t ht h et h e o r e t i c a lm o d a l r e s u l t s k e yw o r d s ：m e m s ：p z tf i l m ；t w op i e z o e l e c t r i ct h i n - f i l me l e m e n t s ；m i e r o c a n t i l e v e r m i e r o f o r e es e n s o r t 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 人连理1 大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 兰垮宝 百旁黜 j 吐年l e l 大连理：l 大学博士学位论文 1 绪论 1 1 m e m s 技术概述 1 1 1m e m s 技术的含义 m e m s 是英文m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，即微机电系统。微机电系 统( m e m s ) 技术是建立在微电子、微机械及材料科学基础上的2 1 世纪前沿技术，指采用 微机械加工技术可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和 控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的完成某种特定功能的微型器件或系统。 m e m s 具有以下三方面特点，第一是微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能 低、惯性小、谐振频率高、响应时间短；第二是集成化：可以把不同功能、不同敏感 方向和致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器阵列或微执行器阵 列，甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器、微执行器和 i c 集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化m e m s ；第三是多学科交叉： m e m s 的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科， 同时m e m s 也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。 m e m s ( 微机电系统) 或m o e m s ( 微光机电系统) 是美国对微型系统的简称，欧 洲称之为m i c r o s y s t e m s ( 微系统) ，日本则称之为m i c r o m a c h i n e ( 微机械) 。各国对 m e m s 称谓的差异，在一定程度上反映出制作m e m s 器件技术的不同。 ( 1 ) 以美国为代表的硅加工工艺，利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行 加工，形成硅基m e m s 器件。它与传统i c 工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统 集成，适合于批量生产，已经成为目前m e m s 的主流技术。 ( 2 ) 以德国为代表的l i g a ( l i g a 是德文光刻、电铸和铸塑三词的首字母) 技术， 利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构。l i g a 技术可以加工各种 金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深 度可以达到几百微米。 ( 3 ) 以日本为代表的传统机械加工手段，利用大机器制造小机器，再利用小机器制 造微机器。可用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台 等。 m e m s 是近年来发展起来的一种新型多学科交叉技术，该技术将对未来人类生活产 生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。对微 机电系统( m e m s ) 的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类。理论 基于双压电p z t 薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究 研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执 行器等的设计原理和控制研究等：制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微 器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、 微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入实用。m e m s 为信息化的数字世界和现 实自然世界提供接口，正在机电、信息、生化领域内形成一批特征尺寸为微米级的产品 ( 器件、系统和工具，包括微结构、微传感器、微执行器以及与i c 集成的微系统) ， 为科技发展提供新的技术平台和方法学；m e m s 技术正引起微制造领域新的发展，用类 似集成电路的方法制造复杂的、高深宽比的三维微结构，并和集成电路集成，形成集成 微系统。m e m s 涉及到多学科的领域，有p h y s i c a lm e m s 、o p t i c a lm e m s 、c h e m i c a l m e m s 、b i o m e m s 、r fm e m s 和p o w e r m e m s 等：它还可与纳米技术结合，成为微一 纳机电系统或纳机电系统j 。 1 1 2m e m s 技术国内外发展状况 m e m s 技术的历史可以追溯到微电子学发展的早期。在2 0 世纪6 0 年代集成电路发 展初期，已经有很多实验室使用同样的技术制作集成传感器，其目的是减小成本并试图 将传感器和电子线路集成到一个芯片上。2 0 世纪6 0 年代后期，已经研制出用于可见光 成像的集成m o s 光电二极管阵列，并采用硅刻蚀技术制作了硅微压力传感器。到2 0 世纪7 0 年代，人们开始使用硅各项异性腐蚀制作薄膜结构，掺杂以及基于电化学的腐 蚀停刻技术也在不久后出现，体硅加工技术从此产生。硅片键合( 特别是硅一玻璃之间 的静电键合) 扩展了这些技术并用于制作多种结构，其中包括集成在单一圆片上的气相 色谱分析系统。在2 0 世纪7 0 年代后期，改善汽车燃料消耗和减少汽车排放物的需求把 压力传感器带入大批量生产阶段。2 0 世纪8 0 年代初期，带有片上读出电路的压力传感 器也开始批量生产，体硅加工技术在流量计、加速度计、喷墨打印头等其他器件的制作 中得到应用。2 0 年代8 0 年代中期，表面微加工技术进入微机械加工舞台并很快在加速 度计、压力传感器和其他微机械结构制作中得到应用。在1 9 8 7 年第四届固态传感器与 执行器会议上，美国加州大学伯克利分校研制出的转子直径仅为6 0 1 2 0 微米的静电电 机在国际学术界引起了很大的轰动，标志着m e m s 技术的诞生。会后美国自然科学基 金会( n s f ) 与美国国防部先进技术局( d a r p a ) 对m e m s 的研究高度重视，先后拨 款在一些著名的大学专用实验室与公司建起了m e m s 基础工艺线( f o u n d r y ) 。到了2 0 世纪9 0 年代，在诸如航天、汽车、生物医药、家庭电器等方面获得了较大的发展，并 逐步形成产业。在军事应用领域内由于保密原因，其进展鲜为人知，直至中东战争、科 索沃战争及最近的伊拉克战争中美军使用的精密制导炸弹，水面舰只用的精密制导炮 大连理 ：= = j ；= 学博士学位论文 弹、空中武器的导引头中的许多微传感器器件如微型惯导器件( 微陀螺、微加速度计等) ， 其影响之大引起了人们的关注。在民用领域中，还向读写磁头、喷墨打印机等方面扩展。 工业发达国家对m e m s 技术的发展十分重视，世界各国的大型跨国公司和政府都 在不断地加大对m e m s 技术的投入。据不完全统计，世界前5 0 0 强企业已有3 0 家涉足 m e m s ，而且这一数字还在不断增加。美国政府2 0 0 0 年在这方面的预算为2 7 亿美元， 2 0 0 1 年增加到4 9 5 亿美元；从1 9 9 7 年到2 0 0 1 年，仅d a r p a 每年对m e m s 技术的研 究经费就达到7 0 0 0 万美元。自1 9 9 1 年起，日本通产省就开始实施了为期1 0 年、总投 资2 5 0 亿日元的“微型机械技术”研究开发计划。德国从1 9 9 4 1 9 9 9 年的m s t 计划每 年投资6 0 0 0 万美元。欧洲制定了e u r i m u s 计划e u r o p r a c t i c e 计划。从1 9 9 3 年起欧盟将 各国研究机构组织起来，组成了n e x u s e t w o r ko fe x c e l l e n c ei nm u l t i f u n c t i o n a l m i c r o s y s t e m s ) ，从科研和产业化两个方面推进微机电系统的发展。m e m s 市场需求不断 上升，汽车安全气囊加速度计、汽车与医用的压力计、汽车刹车用陀螺、数字微镜器件 ( d m d ) 、喷墨打印机的微喷嘴、生化分析芯片、质量流量计、振动传感器逐步形成产业。 据统计，1 9 9 5 年m e m s 产品的销售额为1 5 亿美元，2 0 0 0 年为1 3 9 亿美元，目前，全 球微机电系统市场需求约3 6 0 亿美元，而其带动的相关产品的产值将以千亿美元计【2 1 。 我国的m e m s 研究始于1 9 8 9 年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国 家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总 投入为1 5 亿人民币。经过十几年的研究，我国己在新原理器件、通用微器件、新工艺 和测试技术，以及初步应用等方面取得了显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯性器 件测试组合、微型传感器和执行器、微流量器件和系统、生物传感器、微机器人和硅及 非硅加工工艺几个研究方向。初步形成了几个m e m s 研究力量比较集中的地区。包括 京津地区，如清华大学、北京大学、中科院电子所、中电科技集团公司1 3 所、南开大 学等；华东地区，如中科院微系统所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、 浙江大学、中国科技大学、厦门大学等；东北地区，如大连理工大学、哈尔滨工业大学、 中电科技集团公司4 9 所、中科院长春光机所、沈阳仪器仪表工艺研究所等；西南地区， 如重庆大学、中电科技集团公司2 4 所、4 4 所和2 6 所等；西北地区，如西安交通大学、 航空6 1 8 所、航天7 7 1 所等。“十五”期间，m e m s 正式列入国家“8 6 3 ”计划中的重 大专项，目前，专项己突破了若干关键技术，加工能力和成品率得到很大的提高，为国 内的m e m s 研发提供了良好的服务和平台。围绕医疗、环境、石化等行业，开发出若 干小批量、多品种、高质量m e m s 器件及微系统。若干m e m s 器件和微系统达到实用 化水平，开始进入产业化阶段。m e m s 加速度传感器、特种压力传感器、人体腔道诊疗 微系统、微型血液( 生化) 检测微系统、气象检测微系统等m e m s 器件和微系统取得 基于双压电p z t 薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究 可喜的进展，基本达到实用化阶段，并积极开展了多种方式的产业化工作。此外，在柔 性传感器阵列、微型燃料电池、致冷器、透皮药物释放微系统等方面取得创新研究成果， 为m e m s 的可持续发展奠定了基础。 1 2 压电效应与压电薄膜 微机电系统的研究为基于薄膜材料和硅加工技术的微器件研究带来了巨大的机遇， 主流m e m s 技术主要使用微电子技术中工艺已经成熟的材料，在此基础上增加功能材 料在微传感器和微执行器开发中的应用越来越受到人们的重视日j 。压电材料作为一种功 能材料，具有正压电效应和逆压电效应，在电能和机械能的转换中起着重要的作用。而 薄膜压电材料是一种集传感和执行功能于一体的智能型m e m s 材料，具有能量转换效 率高，适于微型化，与集成电路技术兼容等优点。铁电性的压电薄膜材料是一类重要的 功能性薄膜材料，是目前高新技术研究的前沿和热点之一，它具有压电薄膜材料中最优 异的压电性能。与目前研究已经较为成熟的压阻传感器和静电执行器等其他m e m s 技 术相比，铁电m e m s 具有高信噪比、低能耗、高驱动力等突出优点【4 】。 12 1 压电效应 1 8 8 0 年j 居里和p 居里在a 石英晶体上首先发现了压电效应。压电效应反应了晶体 的弹性性能与介电性能之间的耦合。在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力 时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端面出现正负电荷，这一现象称为 正压电效应。反之，在晶体上施加电场而引起极化时，则将发生与电场强度成比例的变 形或机械应力，这一现象成为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。 压电传感器和执行器工作的物理基础即为压电晶体的压电效应。压电传感器利用正 压电效应实现，压电晶体在外力作用下发生变形，当应力不太大时，由压电效应产生的 极化强度和应力呈线性关系。压电执行器利用逆压电效应实现，在压电晶体上加一电场， 晶体不仅要产生极化，还要产生应变和应力，当电场不是很强时，应变和外电场呈线性 关系。晶体的压电性由压电方程来描述，根据晶体力学和电学边界条件的不同，可以得 到线性压电体的电与机械变量之间张量关系的四类压电方程1 5 】，第一类压电方程以应力 丁和电场强度e 为自变量，应变5 和电位移矢量d 为因变量，用缩减指标的矩阵分量 表示为 s ? = s ：s i r , + d e d 。= d 。j tj + 乙e ， ( 1 1 ) ( 1 2 ) 大连理：l ：大学博士学位论文 式中，s ；为恒定电场条件下的弹性柔j 顿系数，d 。为压电系数，s ：。为恒定应力条件下的 介电常数。压电方程( 1 1 ) 式反映了逆压电效应，压电方程( 1 2 ) 式反映了正压电效应。 1 2 2 压电材料 晶体是否具有压电性受晶体所属点群对称性的影响，晶体必须具有极轴才有压电 性，有对称中心的晶体不可能具有极轴，也不可能有压电性。在晶体的3 2 种点群中有 1 1 种点群有对称中心，4 3 2 ( ：。) 点群虽然没有对称中心，由于其对称性很高，也不具有压 电性。有压电效应的晶体只属于2 0 种点群口 。在这2 0 种不具对称中心的晶体点群中， 有l o 种点群的晶体可能会出现自发极化，这类晶体被称为热释电晶体，即温度发生变 化时晶体表面产生电荷。自发极化能被外电场重新定向的热释电体称为铁电体，铁电体 是热释电体的一个亚族。图1 1 为介电体、压电体、热释电体和铁电体的关系图。 图1 1 介电体、压电体、热释电体和铁电体的关系图 f i g 1 1r e l a t i o no f d i e l e c t r i c ，p i e z o e l e c t r i c ，t h e r m o e l e c t r i ca n df e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l 目前己知的压电材料已经逾百种，实际应用中一般将其分为压电晶体、压电陶瓷和 压电聚合物等。石英晶体是应用最广的压电晶体，它的基本结构单元是硅氧四面体，a 石英晶体属于三方晶系，3 2 点群。石英晶体是一种性能优良的压电晶体，其机械强度高， 绝缘性好，它的介电常数和压电特性非常稳定，但压电常数比较弱。 压电陶瓷是人工合成的多晶压电材料，与压电单晶相比，压电陶瓷具有制备简单、 可制成任意形状和任意极化方向、可通过掺杂改性达到使用要求等优点。钛酸钡 ( b a t i 0 3 ) 是最早被发现的压电陶瓷，它的铁电性首先在二次大战中被美、日、苏三国 几乎同时发现，1 9 4 7 年美国的r o b e r t s 发现其压电t e l “。1 9 5 4 年美国的b 贾菲( b j a f f e ) 等人发现了锆酸铅一钛酸铅( p b z r 0 3 一p b t i 0 3 ) 固溶体( 即p z t 压电陶瓷) ，其在准同型 相界( m o r p h o t r o p i cp h a s eb o u n d r a y ，简称m p b ) 附近具有非常优异的压电性能，和早 期发现的钛酸钡相比，锆钛酸铅机电耦合系数大，居里点高，并且能够派生一系列新的 基于双压电p z t 薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究 压电陶瓷材料，如三元系、四元系压电陶瓷，透明p b l _ x l a x ( z r y t i l y ) 1 x 4 0 3 ( 简称p l z t ) 等。锆钛酸铅压电陶瓷的出现，是压电陶瓷的应用和研究的又一次飞跃。 压电陶瓷的压电效应起源于铁电体的自发极化受应力作用而引起的变化。晶体内部 自发极化的电畴结构是铁电体的重要特征， 体由一系列自发极化方向不同的电畴构成。 电畴是自发极化方向相同的小区域，铁电晶 图1 2 为压电陶瓷的电畴示意图”。在无外 电场作用时，这些电畴的自发极化在外部空间建立的电场互相抵消，呈电中性，此时压 电陶瓷不具备压电性；对其进行极化处理，陶瓷内部电畴的极化方向在外电场作用下趋 于电场的方向；极化处理后的压电陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受 到外力作用时，电畴发生偏转，剩余极化强度发生变化，压电陶瓷呈现出压电效应。 豳骝 ( a ) 极化前( b ) 极化后 图1 2 压电陶瓷的电畴示意图【7 】 f i g l2s c h e m a t i co f t h ed o m a i ns t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s 萋 极性p z t 压电陶瓷的对称性用。m m 点群表述，等价于六角晶系( 即6 m m 点群) ， 它的压电常数矩阵存在三个非零的独立分量，其矩阵为 o o0 0 盔s 0 1 d = l0 00 d 2 4 00 ( 1 3 ) l 吃，吗：吗，0 00 式中，d 3 l = d 3 ，d 2 4 = d 1 5 a 聚偏氟乙烯( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，简称p v d f ) 及其与聚三氟乙烯 ( t r i n u o r o e t h y l e n e ，简称t r e e ) 和聚四氟乙烯( t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ，简称t e e e ) 形成的 聚合物是应用最广泛、最成功的压电和铁电高分子材料。1 9 6 9 年k a w a i 在研究中发现， 经单轴拉伸、并在高温强电场下极化的p v d f 薄膜具有合成高分子材料中最强的压电效 应 6 j 。p v d f 的优点是能制备成任意形状的薄而柔软的换能器铺设在结构的表面，其机 械韧性好，压电性稳定，和压电陶瓷比具有很高的可塑性。p v d f 的单轴拉伸或极化都 是造成材料的各向异性过程，极化后的p v d f 及其聚合物具有正交对称性，晶体点群为 m 2 m ，双轴拉伸的p v d f 点群对称性变为o o i n i n 。 大连理： 大学博士学位论文 1 23 压电铁电薄膜 压电薄膜是以金属氧化物、金属氮化物或金属间化合物为原料，采用特殊工艺在一 定衬底材料上涂覆厚度约为0 0 1 微米至数微米的一层或多层具有压电性能的薄膜材料。 与压电块体材料不同，压电薄膜可以与半导体材料集成，采用微加工工艺制成m e m s 微传感器或微执行器。压电薄膜按材料特性可以分为非铁电性压电薄膜( 如z n o 和a 1 n 等) 和铁电性压电薄膜( 如p b t i 0 3 ，( p b ，l a ) t i 0 3 ，p b ( z r t i ) 0 3 等) 。z n o 薄膜和a 1 n 薄膜的晶体结构相同，都是纤锌矿型化合物，它们的制备技术很接近，一般采用溅射技 术。z n o 薄膜在m e m s 中的应用已经非常广泛。 铁电薄膜是一种重要的功能薄膜，由于其具有一系列的重要特性，如铁电开关效应、 压电效应、热电效应、光电效应、声光效应和非线性光学效应等而备受关注。2 0 世纪 8 0 年代中期以来，薄膜制备技术的发展使得在较低的衬低温度下沉积高质量的外延或择 优取向的铁电薄膜成为可能，从而出现了铁电薄膜的研究热潮。锆钛酸铅( p b ( z r t i ) o ， 简称p z t ) 薄膜因其优异的铁电、介电和压电性能而成为铁电薄膜的研究热点之一，最 初p z t 薄膜的应用目标为铁电随机存储器( f