（机械电子工程专业论文）zno薄膜压电微力传感器执行器研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 用m e m s 技术探索制作的悬臂梁式z n o 薄膜压电微力传感执行系统，具有微型化、 灵敏度高，能实现传感器执行器的功能集成以及系统智能化等诸多优点。但是，由于悬 臂梁式z n o 薄膜压电微力传感执行系统存在悬空结构，有些工艺需要在高温下进行， 使压电传感器执行器与c m o s 电路的集成制备存在很大的困难。本文以与c m o s 电路 工艺兼容的z n o 薄膜压电微力传感器执行器为研究对象，对z n o 压电薄膜的制备及性 能改进、传感器执行器的结构设计、与c o m s 电路工艺兼容的器件制各以及器件的性 能测试四个方面进行了系统的研究。 l 。探索了溶胶一凝胶技术( s o l - - g e l ) 制备z 1 1 0 压电薄膜的方法。深入研究了s o l g e l 法的主要工艺参数对薄膜微结构和电性能的影响规律，优化了薄膜制备工艺参数， 制备了致密、无裂纹的z n o 薄膜。由于s o l g e l 法制备的纯z n o 薄膜电阻率低，无法 作为压电薄膜使用。本文采用掺m n 的方法，不仅将z n o 薄膜的电阻率提高了9 个数量 级，使薄膜满足了作为压电薄膜使用时豹高电阻性要求，而且将压电薄膜的制备温度降 低为4 5 0 。首次成功的采用s o l - - g e l 法制备了掺m n 的z n o 压电薄膜，并基本解决了 z n o 压电薄膜与c m o s 电路集成制备的温度兼容问题。 2 设计了两种类型的z n o 薄膜压电徼力传感器执行器。( 1 ) 设计了一种悬臂梁 结构的传统式压电微力传感器，执行器，并建立了传感器的力电荷量转换效率优化模型， 优化了压电微悬臂梁的s i 层和盈l o 薄膜的厚度，提高了器件的力电荷量转换效率。( 2 ) 设计了一种新型的体声波谐振式微力传感压电执行集成系统，建立了传感器的力谐振 频率偏移转换模型。与传统式压电微力传感器散行器不同，此微力传感，执行集成系统， 同时具备了静态微力测量和压电执行功能。而且将传感器和执行器制作在同一层压电薄 膜上，避免了双压电层结构式自激励一自检测压电微力传感，执行集成系统通常存在的压 电层之间复杂的场耦合问题。 3 研究了基于s o l g e l 法制备z n o 压电薄膜技术的压电微悬臂梁的微加工新工 艺。通过降低结构支撑层的制备温度，进一步解决了z n o 薄膜压电微悬臂梁和c m o s 电路集成制各的温度兼容问题：采用剥离法制备上下电极和正反两面干法刻蚀体硅加工 释放压电微悬臂梁的技术，解决了集成制备过程中的k + 污染和腐蚀兼容问题；分析并 解决了z n o 压电薄膜制各过程中，剥离法制备的t i p t 底电极反复起泡的关键技术难题。 采用本文开发的微加工工艺，成功的制备了两种压电微力传感器执行器，为将来压电微 悬臂梁和c m o s 电路的集成制备打下了良好的工艺基础。 4 测量了本文制作的两种压电微力传感器执行器的基本性能。结果表明，s o l - - g e l z n o 薄膜压电微力传感器执行器研究 法制备的掺m n 的z n o 压电薄膜具有良好的压电性。研制的传统式微力传感器执行器 的灵敏度和执行能力分别达到2 8 6 f c t t n 和0 0 4 2 9 n v ，体声波谐振式微力传感器的灵 敏度约为8 2 8 5 k h z i t n 。 关键词：微力传感器，执行器；n o 压电薄膜；s o l - - g e l 法；工艺兼容；体声波谐振器 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t az n ot h i nf i l mp i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c e 呛n s o r a c t u a t o rs y s t e mc h i p ( s o t ) h a st w o p r i m r yb e n e f i t s f i r s t , t h ep i e z o c l e c ( x i c m i c r of o r c es e n s o r a c t u a t o rp r o v i d e sw i t h m i c r o m a t i o n , h i 曲f r e q u e n c yr e s p o n s e ，w i d cf i 烈l u e n c ya p p l i c a t i o nr a n g e sa n dh i g hs e n s i t i v i t y as e c o n da d v a a t a g ei s 也a tt h ep i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c es e n s o r a c t u a t o rc o u l dh a v et h e c a p a b i l i t i e so ft h em u t l i - f u n c t i o ni n t e g r a t i o n , a r r a y i n ga n di n t e l l i g e n t i z i n go w i n gt ot h e i n t e g r a t i o no f c m o sc i r c u i t s h o w e v c r t h e r ea r eah o s to f p r o b l e m sw h e nz n op i e z o e l e c t r i c t h i nf i l li sa p p l i e di nm i c r o m a c h i n gp r o c e s s t h es t u d i e so fz n ot h i nf i l mp i e z o e l e c t r i c m i c r of o r c es e n s o r a c t u a t o ra n dt h ei n t e g r a t i o nw i t hc m o se l c c t r o n i c sa r es t i l li ni n i t i a t e s t a g e i nt h i st h e s i s z n o t h i nf i l lp i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c es e n s o r a c t u a t o r sa r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e di nt e r m so ft h ep r e p a r a t i o n , c h a r a c t e r i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n to f t h ef i l m s ，a n dt h ed e s i g n , f a b r i c a t i o ni n t e g r a t i o nw i t hc m o se l e c t r o n i c sa n d t e s t i n go f t h em i c r of o r c es c n s o r a c t u a m r t h ep r e p a r a t i o n so fz n ot h i nf i l m sb ys o l - g e lm e t h o dw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c e so f p r o c e s sp a r a m e t e r s ( p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u 他) o fs o l - g e lt e c h n i q u e o nt h em i c r o s t r u e t u r e sa n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c sw e l ei n v e s t i g a t e d , a n dt h eo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r sw c r ea c h i e v e d i tw a sf o u n dt h a tt h er e s i s t i v eo fp u r ez n o t h i nf i l lp r e p a r e db y s 0 1 g e lm e t h o dw a sl o w , w h i c hl i m i t e dt h ez n 0f i l mt ob ea c ta sp i e z o e l e c t r i ct h i nf i l l a i m i n gt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e so fz n ot h i nf i l la n dr e a l i z et h ei n t e g r a t e df a b r i c a t i o nw i t h c m o se l e c t r o n i c s t h em nd o p i n ge x p e r i m e n t sw e f cp e r f o r m e d 1 1 地r e s i s t a n c e so fa 1 1 m n - d o p c d z n of i l l ( 1m i c r o m e t 叮t h i c k n e s s ) i n c r e a s e dt 0t h el e v e lo f1 0 ”t 2 ，w h i c hm a d e t h ez 血of i l m sp r e p a r e db ys o l - g e ls a t i s f yt h eh i g hr e s i s t i v er e q u i r e m e n ta sp i e z o e l e c t r i cf i l m f u r t h e r m o r e ，t h ed o p i n go fa t 1 m n ( c h 3 c o o ) 2d e c r e a s e dt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r et o f o r mp r e f e r r e dc - a x i so r i e n t a t i o n , w h i c hm a d ei tp o s s i b l et oi n t e g r a z df a b r i c a t i o no f z n ot h i n f i l m sp r e p a r e db ys o l - g e lw i t hc m o se l e c t r o n i c s t w ok i n d so fs e n s o r a e t t m l o r sw c r ed e s i g n e d f i r s t l y ，ac o n v e n t i o n a lp i e z o e l e c l z i cm i c r o f o r c es e n s o r a c t u a t o rb a s e dm i 咖t i l e v e rs t l l j c t u r ew a sd e s i g n e d 1 1 1 ef o r c e - c h a r g e s c o u p l i n gm o d eo fd e v i c ew e r ed e d u c e d t h e n , t h em o d e lw a sa sad e s i g nt o o lf o r i n v e s t i g a t i n gt h eo p t i m a lf i l mt h j c k n e s so fp i e z o e l e c t r i cm u l f i m o r p h st oi m p r o v i n gt h e s e n s i t i v i t yo fm i c r of o r c es e n s o r s an o v e lz n ot h i nf i l mp i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c es e n s o r b a s e do nb u l ka c o u s t i cr e s o n a t o rw i t hm i c r o - c a n t i l e v e rs t r u c t u r e ，w h i c hw a si n t e g r a t e dw i t h a c t u a t i n gf u n c t i o n s ，w a sp r o p o s e dt om e a s u r es t o i cf o r c ea n ds i m p l yt h ef a b r i c a t i n gp r o c e s s 1 1 1 er e l a t i o n s h i po f r e s o n a t o rf i e q u r e n c ys h i ra n df o r c e0 1 1t h ed e v i c ew a sd e d u c e & a i l i n gt oi m p r o v e t h e i c - c o m p a t i b i l i t y b e b v e nt h e m i c r o m a c h i n i n gp m c e 站o f p i e z o e l e c t r i cm i c r oc a n t i l e v e ra n dp o s t - c m o si n t e g r a t e dm e t h o d ，am o d i f i e dm i c r o m a c h i n i n g i n z n o 薄膜压电微力传感器执行器研究 p r o c e d u r eo fp i e z o e l e c t r i cm i c r od e v i c ew a sp r o p o s e d , a n dt h ek e yp r o c e s s e sw e r es t u d i e d t w ok i n d so fz n ot h i nf i l mp i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c es e n s o r s a c t u a t o r sw e r ef a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y b yi l s i i l gt h es i l i c o ns u b s t r a t ea ss t r c t u r el a y e ro fm i c r oc a n t i l e v e r , u s i n gi c pt o r e l e a s em i c r oc a n t i l e v e ra n du s i n gl i f t - o f fm e t h o dt op r e p a r et i p tb o t t o me l e e t o d e ，t h e p r o b l e m so fk 十p o l l u t i o n , e t c hc o m p a t i b i l i t ya n dt e m p e r a t u r ec o m p a t i b i l i t yw c i 伦s o l v e d t h e b u b b l ep r o b l e mh a p p e n e dt ob o t t o me l e c t r o d ei np r e p a r i n gz n o b ys o l g e lt e c h n i q u ew a s s o l v e d 1 1 1 em e a s u r e m e n t so ft h et w ok i n d so fp i e z o e l e c t r i cm i c r of o r c es e n s o r s a c t u a t o r sw e r e c a r r i e do u t 1 1 1 ep i e z o e l e c t r i cc o n s t a n td 3 1o fz n op i e z o e l e c t r i cf i l mp r e p a r e db ys o l - g e l m e t h o di s0 4 3 6 6 p c n , w h i c hi sm e a s u r e db yt h ef i r s tt i m ea n da l lo r i g i n a lc o n t r i b u t i o n t h e f o r c e s e n s i t i v i t ya n da c t u a t i n gf o r c eo fc o n v e n t i o n a lp i e z o e l e e t r i cm i c r of o r c e s e n s e 蕾s a e t t m m r sa r e2 8 ，6 t u ，蝌a n d0 0 4 2 p n v ，r e s p e c f i v e l y t h ef o r c es e n s i f i v i wo fb u l k a c o u s t i cr e s o n a t o rm i c r of o r c e $ r l s o ri sa b o u t8 2 8 5 k h z i d q k e yw o r d s ：m i c r of o r c es e n s o r s a c t u a t o r s ；z n op i e z o e l e c t r i ct h i nf i l m ；s o l g e lm e t h o d ； p r o c e s sc o m p a t i b i l i t y ；b u l ka c o u s t i cr e s o n a t o r i v 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。 大连理工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：至壁垒丝 导师签名乏坌地导师签名：丝型 兰翌生呕月篮_ 日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出和研究背景 随着对微观领域研究的不断深入，人们对研究微观领域的手段和仪器提出了更高的 要求，同时催生了大量的新兴技术和研究领域1 1 。3 】。近几年，人们对新型扫描探针显微 镜( s p m ) 【4 5 】、s p m 型高密度纳米存储器网、细胞操作r 玎、插管手术【8 1 和微装配【9 ，1 哪等 技术进行了大量研究。在这些研究中，如微夹钳细胞操作，为了防止破坏被夹持细胞， 需要感知和控制夹持力的大小；在插管手术中，为了防止破坏正常组织，医生需要感知 手术插管与血管之间的接触力的大小；新型扫描探针显微镜( s p m ) 则通过测量探针和 样品表面之间微小的接触力，获得探针和样品表面的相对位移，构建样品表面形貌，并 且依据s p m 观测物体表面形貌的原理开发s p m 型高密度纳米存储器；在微装配过程中， 为了防止碰撞损坏微部件，需要实时测量装配过程中发生的微小碰撞力，并控制零件间 的相对位置，完成装配。上述研究都涉及一个重要的热点问题馓观领域下的微小力 测量。这些微力的测量都具有以下几个共同特点：( 1 ) 受测试环境和空间的限制，对力 传感器提出了微型化的要求；( 2 ) 需测试的力学量值非常小，一般在1 | in l m n 左右， 要求传感器具有高的灵敏度和精度；( 3 ) 需要利用力反馈进行实时控制，要求传感器具 有高的响应速度。而新型扫描探针显微镜( s p m ) 和s p m 型高密度纳米存储器更是要 求开发满足上述要求的微力传感器的同时，在微力传感器上集成微执行能力。研究和发 展一种微型化、高精度和高集成化的微力传感器执行器已经是一个非常迫切的、具有重 要实际意义的课题。 微机电系统( m e m s ) 的发展，使制备满足上述要求的传感器执行器成为可能。s i 基z n o 薄膜压电m e m s 微力传感器，执行器，能实现和c m o s 电路的单片集成，形成 压电微力传感器，执行器s o c ( s y s t e mo l lac h i p ) 集成系统。集成系统既有m e m s 压电 传感器体积小、响应速度快、使用频率范围宽的优点，又因为集成了微处理电路，信号 受外界干扰小，整个传感器系统灵敏度和精度更高，并能实现传感器的多功能化、智能 化。而且，利用压电效应的双向性，z n o 薄膜压电器件还能实现微力传感和执行的功能 z n o 薄膜压电微力传感器俄行器研究 集成，开发出新型器件，如新型s p m 及其s p m 型微纳存储器。开展适用于s o c 的z , n o 薄膜压电m e m s 微力传感器，执行器的研究，具有深远意义。 本文在国家自然科学基金重大计划“半导体集成化芯片系统基础研究”的重点基金 课题“适用于s o c 的声、热、力微型传感器系统”( n s f n o 9 0 2 0 7 0 0 3 ) 的资助下开展 了适用于s o c 的z n o 薄膜压电微力传感器执行器研究。 1 2m e m s 基微力传感器执行器国内外研究现状 随着微纳米技术和生物技术的迅速发展，微尺度环境下的微力测量已经受到了人们 的广泛关注。微小飞行器、微操作及微装配系统，生物力学研究、单细胞操作、扫描探 针显微镜( s p m ) 和纳米存储器等领域都存在在极有限的空间范围内测量微小力、输出微 位移和执行力的难题。传统形式的测量仪器和执行设备，如电子天平、步进电机等已经 不适合在这些环境下使用，为此m e m s 微力传感器执行器的研究受到了高度重视。 目前，人们已利用各种物理机理，制备了各种类型的m e m s 微力传感器和执行器 ”。在微力传感器方面，压阻式、电容式、压电式和隧道效应式微力传感器得到了广泛 关注和研究；在执行器方面，静电激励式、磁驱动式、热驱动、压电式微执行器得到了 重视，并取得了众多成果。 1 2 1m e m s 的含义和特点 m e m s 是m i c r oe h ，c u om e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，是美国对微型系统的简称，在我 国称之为微机电系统，欧洲称为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) 。尽管各国的称谓不同，但是其基本内涵是一致的，均指并非单纯是宏观机 械的微小化，而是指综合利用硅工艺、l i g a 工艺( 德文光刻( l i t h o g r a p h i e ) 、电铸 ( g a l v a n o f o r m u n g ) 和注塑( a b f o r m t c c h n i k ) 三词的首字母) 、精密机械加工技术等微 结构制备技术批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制 电路、通讯和电源等于一体的微型系统【1 2 】，从广义上讲m e m s 包含了毫米和微米尺度 的机械。各国对微机电系统称谓的不同源于历史上各国对m e m s 器件制备技术研究的侧 重点存在的差异。美国主要以硅加工工艺为主，利用化学腐蚀或集成电路制备工艺对硅 材料进行加工，形成硅基m e m s 器件。硅加工工艺最大的优点是与i c 工艺兼容，可以实 现微机械和集成电路的系统集成，适于采用成熟的微电子制备技术进行批量生产。德国 则是u g a 技术的发源地，利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和注塑形成深层微结构。 l i g a 技术可以加工高深宽比的精细结构，加工深度可以达到几百微米，而且加工材料 可以是金属、塑料和陶瓷等难加工材料。日本有较多学者则是采用精密机械加工手段， 大连理工大学博士学位论文 用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，如微型机器人、微型手术台等。硅工 艺、l i g a 技术和精密机械加工技术各有优缺点，相辅相成，在m e m s 器件制备中都得 到了很好的应用。但是从实现m e m s 器件产业化的角度看，目前以微电子制各技术为基 础的硅微加工技术仍为m e m s 器件制备的主流技术。 m e m s 涉及微电子、机械、材料科学、物理学、化学以及生物医学等学科与技术，通 过对这些技术的交叉综合形成了各种性能优异、智能化、集成化的微型系统，如p h y s i c a l m e m s 、o p i i c a lm e m s 、b i o - m e m s 、和r fm e m s 等。它还可与纳米技术结合，成为 微纳机电系统或纳机电系统，正给现在和未来的生产、生活带来革命性的影响。m e m s 器件和系统一般具有以下几个特点和优点【1 3 】：( 1 ) 微型化，m e m s 器件和系统最大的特 点是体积小、重量轻。体积和质量的减小，提高了系统的谐振频率、缩短了器件和系统 的响应时间，而且小尺寸使器件和系统适合用于某些特定场合，如插管手术、卫星和航 空航天等；( 2 ) 功能集成化，采用微加工技术可以将不同功能、不同敏感方向和致动方向 的多个传感器和执行器集成于一体，形成微传感器和微执行器阵列，甚至可以把多种器 件集成在一起形成更为复杂的、功能增强的器件和系统，研制出以前无法实现的新型器 件和系统。( 3 ) i c 集成化，将微传感器和微执行器与i c 电路集成在一块芯片上，成为 高灵敏度、低噪音干扰、低能耗、高可靠性和高稳定性的智能化单片s o c 系统，如智 能气体工作站等。 1 2 2m e m s 基微力传感器国内外研究现状 微力测量主要包括微小压力、微小加速度和微小集中力的测量。从研究微力传感 器执行器的角度看，这几种力的区别主要在于力和传感器之间的作用方式不同，进而影 响传感器执行器的结构。由于本文以研究测量微小集中力和输出微小执行力的传感器 执行器为目标，为此文中出现的微力测量皆指微小集中力测量。 自1 9 8 7 年美国加州大学伯克利分校华裔留美学生冯龙生利用微加工技术研制出世 界上第一个微静电电机，标志着m e m s 技术的正式诞生以来，m e m s 技术得到了长是 的发展，并迅速用于开发微力传感器和执行器，取得了诸多研究成果。 m e m s 微力传感器和执行器通常具有以下几个明显特征：( 1 ) 传感器本身的尺寸为 微米或毫米量级，能够满足在微尺度环境下工作的要求；( 2 ) 分辨率和灵敏度高，能测 量m n - n n 量级的微小力；( 3 ) 采用m e m s 技术批量制备，成本低，价格便宜。根据工 作原理，m e m $ 微力传感器主要有压阻式、电容式、压电式和隧道效应式四种形式。其 中，压阻式微力传感器研究最多、最为成熟，电容式和压电式微力传感器次之，隧道效 应式微力传感器由于制备工艺极度复杂，相关的研究很少。 z n o 薄膜压电微力传感器航行器研究 压阻式微力传感器是利用压阻材料的压阻效应制备的一种力传感器 1 4 1 。当压阻材料 受到力的作用时，压阻材料中多数载流子的有效迁移率增大或者减小，从而引起压阻材 料电阻率的减小或者增大。根据电阻率的变化量，可以精确的测量出被测力的大小。早 在1 9 6 1 年w g p f a n n 等就利用压阻效应研制了压阻式力传感器【1 5 1 。1 9 6 9 年d e f u l k e r s o n 首先制各了悬臂梁结构的压阻式微力传感器【1 6 1 ，并实现了和i c 电路的集成。传感器采用 2 0 伏电压供电，具有1 的非线性，会产生0 0 4 v 的电压自漂移。为了提高测量精度，丹 麦理工大学的j t h a y s e n 等l l7 j 研制了一种具有标准参考梁的双压阻梁式微力测量传感器 用于制备原子力显微镜( a f m ) 的力感单元，如图1 1 所示。传感器的力灵敏度达到 r r = 2 7 1 0 6 n n 。2 0 0 2 年d v d a o 等【1 8 】研制了一种十字交叉梁结构的压阻式微力传 感器，如图1 2 所示。通过在十字交叉梁的不同方向上排布2 0 个压阻条，传感器实现了 图1 1j t h a y s e n 等研制的具有参考梁的 双压阻粱式微力传感器 f i g 1 1p i e z o r e s i s t i v em i c r o - f o r c es a i s o i f a b r i c a t e db yj t h a y s e ne ta l 图1 2d v d a o 等研制的十字交叉粱式 六自由度压阻式微力传感器 f i g 1 2 s i x d i m e n s i o n p i e z o r e s i s t i v e m i e r o - f o r e a s a r l s o rf a b r i c a t e db yd v d a oe ta l 六自由度范围内的压力测量。上海微系统所的李昕欣等 1 9 1 研制了一种悬臂梁阵列式的压 阻微力传感器，如图1 3 所示。由于各悬臂梁都具有独立测力功能，极大的增加了器件测 力的速度。2 0 0 6 年t c d u e 等1 2 0 1 报道研制了一种悬臂粱式压阻微力传感器系统，使用 h p 4 1 5 5 a 半导体参数测量仪对电信号进行测量，保证了传感器具有极高的灵敏度 0 2 9 v n n ，实现了对纳牛级微力的测量。 电容式力传感器的基本工作原理是传感器受到力的作用时，电容器极板间距、极板 重叠面积或者极板间的介电常数发生改变，从而引起电容器电容值的微小变化，通过测 量电容变化量，获得被测力的大小【2 l - 2 3 。比较有代表性的m e m s 电容式微力传感器有： 1 9 9 5 年m & w o l _ f f c n b u t t e l 等嘲研制的采用表面硅工艺制备、集成了i c 电路的电容式微力 一4 一 大连理工大学博士学位论文 传感器，如图1 4 所示。当被测力施加在传感器上时，微结构发生变形，引起电容器电容 值改变，测出被测力的大小。电容值在o 5 - 1 p f 范围内变化时，传感器非线性度为o 2 5 ， 图1 3 李昕欣等研制的1xl o 悬臂梁阵列式 压阻微力传感器 f i g 1 31 1 0a r r a yp i e z o r e s i s t i v em i c r o f o r 辩n s o ff a b r i c a t e db yx x l ic ta l 图i 4ki tw o l f f e n b u t t e l 等研制的电容式 微力传感器 f i g 1 4c a p a c i t i v em i c r o - f o r c es e p s o r f a b r i c a t e db ym r w o l f f c n b u t t e lc ta l 超过l p f 时，非线性度急剧增大。传感器对大于2 0 州的力都有响应。2 0 0 5 年多伦多大学 的y s u n 等嘲报道了一种采用悬臂梁加梳齿结构的电容式微力传感器。如图1 5 所示。悬 臂梁受到力的作用时，通过检测梳齿电容器电容值的改变量测出施加在悬臂尖端上的二 图1 5y s u n 等研制的电容式微力传感器 f i g 1 5c a p i t i v em i c r o - f o r c es e n s o rf a b r i c a t e db yy s u nda l 维微力的大小。采用s o i 晶片作为初始制备材料和采用深硅刻蚀工艺( d r i e ) 制作高深 宽比的梳齿结构，保证了结构尺寸精度。梳齿结构有效地提高了电容式微力传感器的灵 z n o 薄膜压电微力传感器瓶行器研究 敏度和分辨率，灵敏度达3 0 1 3 5 m v t t n ，分辨率为0 6 8 n ，当被测力小于l m n 时，传感 器的测力非线性度小于4 。 分析以上压阻式和电容式微力传感器研究成果，将压阻式和电容式微力传感器的优 缺点归纳如下：压阻式微力传感器发展比较成熟，其最大优点是可以测量静态力，制备 工艺简单，易于实现和c m o s 电路的集成制备，易于开发多自由度测力传感器。但也存 在功耗大，造成器件自身温度上升，致使电阻器阻值发生漂移，降低传感器测量精度， 传感器只适合测量低频变化力等缺点。电容式微力传感器在采用适当电路的情况下也能 实现静态力的测量，其最大优点为容易实现多维测力，而且加工温度相对较低，容易实 现和c m o s 电路的集成，采用静电驱动机理还可以作为执行器使用，但是电容式传感器 容易受到衬底、自身偏置电压等电磁场的干扰，影响传感器精度。为了提高精度，需要 采用较多对电容极板，增大了器件的尺寸。另外，电容式微力传感器的允许量程较窄， 超出量程时，传感器测量线性度急剧降低，传感器适用的测量频率也较低。 压电式力传感器则是依据压电材料的压电效应实现测力功能的一类传感器，即当压 电材料在外力作用下发生变形时，在压电体两个端面出现正负极化电荷。当压电材料所 受应力不太大时，压电效应产生的极化强度和应力呈线性关系，通过测量产生电荷的多 少获得被测力大小。压电式微力传感器的研制极度依赖于压电薄膜制各工艺的研究水 平，由于涉及到功能薄膜制备，增大了传感器的制备难度，与较为成熟的压阻式和电容 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。2 0 0 2 年香港中文大学的 c kmf 眦礴【2 6 】研制了基于p v d f 有机薄膜的悬臂梁式微力传感器，用于m e m s 和i c 领域微装配及生物微操作过程中的力反馈，如图1 6 所示。此传感器可以测量5 0 州左右 的微小力。由于p v d f 有机薄膜的存在，难以实现和c m o s 电路的集成制各。东京大学 的t i t o h 等对悬臂梁结构的z n o 薄膜压电微力传感器和p z t 薄膜压电微力传感器进行了 系统的研究 2 7 - 3 3 1 。1 9 9 6 年，他们研制了用于扫描力显微镜( s f m ) 的p z t 薄膜压电微悬 臂构件，如图1 7 所示。扫描样品形貌时，外加激励带动探针敲击样品表面，相互问的作 用力使探针弯曲变形，微悬臂上的压电薄膜产生电荷，通过测量产生的电荷的多少，实 现样品表面和探针之间的高频高速微接触力的测量。压电微悬臂探针可以代替传统原子 力微镜中精密的激光探针光敏检测光学系统，简化了显微镜结构。悬臂梁以s i 作为结 构材料，使用k o h 溶液湿法体硅加工技术释放压电微悬臂粱，使用s o l - - g e l 法制备p z t 压电薄膜，薄膜制备需要在6 0 0 下高温退火，制备技术与c m o s i 艺不兼容。除了上 述外加振荡器激励的微力传感器外，t i t o h 等 3 ”3 1 还研制了自激励自检测式微力传感 器，如图1 8 所示。利用p z t 薄膜压电效应的可逆性，p z t 压电微悬臂梁不仅作为传感元 件，同时还作为执行元件，实现微力溺量和徽位移输出功能的集成，进一步简化了显微 大连理工大学博士学位论文 图1 6cx 1 lf u n g 等研制的p v d f 压电 薄膜悬臂粱式微力传感器 f i g 1 6s e mi m a g eo f p v d fp i e z o e l e c t r i c m i c r o - f o r c e n s o b yc k m f u n g 图1 7t i t o h 等研制的p z t 薄膜压电 悬臂粱s 酬照片 f i g 1 7s e mi m a g eo f p z t p i e z o e l e c t r i c f i l mm i c r o - c a n t i l e v e rf a b r i c a t e db yt i t o h 镜结构。测力时，首先在压电悬臂梁上下电极和参考p z t 薄膜上下电极之间施加交变电 压，测量上下电极间的交变电流，然后在梁上施加作用力，使上下电极之间的交变电流 发生改变，通过差分放大器测量电流改变值，获得悬臂梁所受作用力的大小。但是由于 图1 8 自激励一自检测式p z t 微悬臂粱s 脚照片 f i g 1 8s e mi m a g eo f s e r f - e x c i t a t i o na n d s e l f - d e t e c t i o np z tm i e r o e a m i l e v e r 图1 9p z t 五, 电微执行式s p m 型纳米存储器 f i g 1 9s p ml l a n od 蹴- s t o r a g es y s t e mw i t hp z t p i e z o e l e c t r i c8 9 t l l a t o r 仍然采用k o h 溶液湿法体硅加工技术制备压电微悬臂梁和采用s o l - - g e l 法制备p z t 压电薄膜，传感器，执行器的制备工艺和c m o s7 - 艺不兼容。2 0 0 5 年l g 公司的h 。l n a m 等报道研制了一种利用强压电微力传感执行系统制备的s p m 型高密度纳米存储器 1 3 4 1 ，如图1 9 所示。利用p z t 压电薄膜的压电效应和逆压电效应，测量微小作用力和输 出微小位移，高速测量p m m a 薄膜上有无纳米凹坑点，实现对存储数据的读取。此器 z n o 薄膜压电微力传感器执行器研究 件的制备为压电微力传感执行系统的应用开拓了广阔空间。但是，由于采用s o l - - g e l 法制备p z t 压电薄膜，器件仍难以实现和c m o s 电路的集成， 分析以上压电式微力传感器研究成果可得，压电微力传感器具有灵敏度高，响应速 度快，可用于测量高频变化力的优点。利用压电薄膜的逆压电效应，压电微力传感器同 时还具备执行功能，实现微力传感器和执行器的高度集成化和微型化。利用压电式微力 传感执行器的这种传感和执行功能的高度集成性和微型化，可进行新型扫描力显微镜 ( s p m ) 及s p m 型纳米高密度存储器的核心部件的开发，具有重要的研究意义。 1 2 3m e m s 基微执行器国内外研究现状 根据执行原理，m e m s 微力和微位移执行器主要有压电激励式执行器、静电激励执 行器、热执行器和磁执行器等类型1 1 】。 静电激励执行器是一类利用两个带异性电荷的电极板相互吸引的原理制成的执行 器。理论上这种执行器的力一电压特性为非线性，但是由于具有耗能低，制造相对简单 等优点，静电激励执行器在g e m s 领域得到了广泛应用。结构上，主要有悬臂梁结构或 者梳状结构的静电平动执行器和转子结构的旋转马达。t a n g 等成功研制了梳状g e m s 静电驱动执行器f 3 5 】之后，静电激励执行器得到了长足发展，性能也得到了很大改进。最 新的研究成果主要有r i t s u m e i k a u 大学p h p h a m 等研制的静电驱动微传送带f 3 司，如图 1 1 0 所示。执行器制备以s o l 晶片作为初始材料，使用i - i f 蒸汽技术刻蚀释放悬空梳齿结 图1 1 0p i lp b a m 等研制的静电驱动微 传送带 f i g 1 - 1 0e l e e l r o s 础ec o m b - d r i v es im i c r o c o n v e y e rf a b r i c a t e db yp h p h a me ta l 图1 1 1y a n g 等研制的多层悬臂梁式热执行器 f i g 1 1 lt h e n n o - d r i v e m u t l i l a y e r m i c r o c a n t i l e v e ra c t u a t o rf a b r i c a t e db yy a n ge ta l 构。虽然采用长度和高度远大于。插指”宽度的技术改善了静电执行器电压一位移关系 的高度非线性，但是这种非线性输出关系，始终是一个困扰着静电激励执行器的问题。 大连理工大学博士学位论文 熟执行器是利用材料的热膨胀特性制备的一类执行器。热执行器的一个基本方案是 利用两种不同热膨胀系数的材料制成双晶片进行热激励。加