（精密仪器及机械专业论文）自检测压电微传感器灵敏度优化及并行探测技术研究.pdf

摘要 摘要 上世纪九十年代以来，锆钛酸铅( p z t ) 薄膜压电微悬臂梁在扫描探针显微 技术中的应用，开启了压电微传感器在纳米探测领域的研究。由于p z t 薄膜较 高的压电系数和机电耦合系数，基于p z t 薄膜的压电微传感器集自驱动和和自 检测为一体，在构建结构紧凑的并行工作系统方面具有独特优势，在高密度信 息存储、并行加工等领域具有广阔的应用前景。然而高质量p z t 压电薄膜的快 速制备技术仍然是目前限制基于p z t 薄膜的压电微传感器大规模工业化生产和 实现商业化应用的主要因素；受到p z t 薄膜性能和器件加工因素影响，压电微 传感器的灵敏度仍有待提高；同时，在小型化和集成化过程中，器件尺寸的减 小使压电微传感器的压电信号输出越来越微弱，给压电微传感器阵列的并行检 测带来了困难。本文正是针对这一背景，围绕p z t 压电薄膜微传感器的力探测 和并行质量检测，在高质量p z t 压电薄膜的快速制备、压电微传感器的灵敏度 优化和微弱压电信号的并行检测技术等方面展开研究。 压电微传感器的灵敏度提高，依赖于p z t 薄膜的性能提高、器件结构优化 和加工技术。在高性能p z t 薄膜的快速制备方面，我们研究了基于镍酸镧种子 层的高性能p z t 薄膜快速制备技术。以钙钛矿结构的l n o 薄膜诱导p z t 薄膜 的择优取向生长，改善了快速热处理对p z t 薄膜性能的影响。在器件结构优化 和加工技术方面，从压电微悬臂梁的基本理论出发，分析了压电微传感器的结 构参数与灵敏度的关系，研究了基于p z t 薄膜的压电微传感器制备工艺，分析 了工艺参数对器件性能的影响。以差动电荷放大电路为基础，研究了微弱压电 信号的并行检测技术。并在此基础上，实现了压电微传感器的并行质量检测与 图像扫描。 围绕自检测压电微传感器的灵敏度优化和并行探测技术，本博士论文完成的 研究工作可以概括为以下几点： ( 1 )高性能p z t 压电薄膜的快速制备与器件加工技术研究。以溶胶凝胶法制 备的钙钛矿结构的导电氧化物镍酸镧薄膜作为种子层，诱导p z t 薄膜沿 ( 1 0 0 ) 晶向择优取向生长，抑制由于快速升温导致的p z t 薄膜( 1 1 1 ) 晶向的产生，并利用快速热处理方法制各了介电性能与压电性能优异的 摘要 p z t 薄膜。这种方法兼顾了p z t 压电薄膜的快速制备与性能改进，为p z t 薄膜器件的批量制备提供了坚实基础。通过对器件加 睦薹羹囊冀蓊葡髦鏊雾裂雾雾雾銎雾羹膏囊霎羹蠢鬻羹壅簦冀霎； i 蚕| 堑叁疆雾嚣蓁蓁强冀菰墅j 蚕箍蘩銎囊鬻塑冀鍪震塑黧i 鐾纛冀蓁童嚣 静霞蓁| p z t 篓 m i l l s t r u m e n 协t i o n ms e n s a c t u a t o r s ，a ，ph y s ，1 9 9 6 ， 5 6 ：1 4 31 4 9 f 1 6 】pg r a b i e c ，k d o m a n s k j ，pj a n u s ，e ta j m i c r d s y s 咖6 e c h 玎o j og y 嚣8 豫a d 矗o m 廖a c r o 埝 n a i l o w o r l d 【j 】b i o e i e c 仃o c h e m i s t 以2 0 0 5 ，6 6 ( 1 - 2 ) ：2 3 - 2 8 【1 7 】h c r a i g h e a d n 舭o e l e c 们m e c h 锄i c a ls y s t e m s 【j 】s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 9 0 ：l5 3 2 【i8 】0 k a w aya o n om m a c e r i a i ss c i e n c en a n o s c a i ec o n 打o lo fc h a i np o i y i r i e r i z a t i o n j 】n a t u r e ， 20 0 1 4 0 9 ：6 8 3 6 8 4 1 明t a n d o ，t u c h i h a s h i ，n k o d 啪，e ta i b a t c hf a b r i c a t i o no fs h a r p e n e ds i l i c o nn i t r i d e t i p s 【j 】j p n j a p p l p h y s ，2 0 0 3 ，4 2 ：4 8 4 4 4 8 4 7 【20 】t f u l ( u m a ，k k o b a y a s h i k m a t s u s h i g e ，e ta 1 t m e8 t o m i c r e s o j u 6 0 ni nl i q u i db y 仃e q u e n c y - m o d u l a t i o na t o m i cf o r c em i c r o s c o p y 川a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 5 ，8 6 ：1 9 3 1 0 8 【2l 】m a o n 0 ，c j i 舭g ，t n a k a y 枷a ，e ta 1 h o wt om e a s u r et h en a l l o s c a i ep h y s i c a lp r o p 矾i e s of m a t c r i a i s ? ( j 】0 y ob u t u 矗，1 9 9 s ，6 7 ：1 3 6 1 ( i nj a p 锄e s e ) 口2 】i s h h k i ，f 1 觚a b e ，r h o b a r a ，e ta 1 i n d 叩e n d e n t l yd r i v e nf o u r t i pp r o b e sf o rc o n d u c t i v 时 me 弱u r e m e n t si nu l 仃a 1 1 i 曲v 犹u u m 【j 】s u r s c i ，2 0 0 l ，4 9 3 ：6 3 3 【23 】t k a l l a g a w a ，r h o b a 赐i m a t s u d a ，e ta 1 a n 觚i s o 昀p ym e 孙u r e m e n to fq u a s i o m di l n 锄s i o n a ls u r f a c es t a t ec o n d u c t a n c eb yr o t a t i o n a l s q u a r e m i c r of o u 卜p o np r o b e m e t i l o d 【j 】p h y s r e v l e t t 2 0 0 3 ，9i ：0 3 6 8 0 5 【2 4 】h o k i n o ，i m a t s u d a ，r h o b a r a ，e ta 1 i ns i t i lr e s i s t a n c em e a s u r e m e n c so fe p i 切x i a lc o b a h si i i c i d en a n o w 油so ns i ( i l0 ) 【j j a p p i p h y s l e 髓，2 0 0 5 ，8 6 ：2 3 3lo s 团】m i s h i l ( a w a ，m y 0 s h i m u r a ，舭dk u e d a d e v e l o p m e n to ff o u r - p r o b em i c r o s c o p yf o r el e c 仃i cc o n d u c t i v 时m e 私u r e m e 州hj p n j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，4 4 ：1 5 0 2 一1 5 0 3 26 】k t a k 锄i ，m a k a i k 弱a y a a s a i t o ，c ta 1 c 0 n s t m c t i o no fi n d 印e n d e n t i y d 打v e n d o u b l e - t i ps c a 衄i n gt u 衄e j i n gm i c r o s c o p e j 】j p n j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，4 4 ：l 1 2 0 a b s t r a c t a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i cp z t ( l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ) m i c r o c a n t i l e v e r , s e n s i t i v et on a n o s c a l ed e f l e c t i o n ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e da ss e l f - s e n s i n gp m b e si ns p ms y s t e m s s i n c e19 9 0 s p z tf i l m w i t hh i g hp i e z o e l e c t r i cc o n s t a n ta n de l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，w h i c hi s t h ek e ym a t e r i a lo fs e l f - s e n s i n ga n ds e l f - a c t u a t e d p i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，h a ss h o w nt h ep o t e n t i a li nc o n s t r u c t i n gc o m p a c tp a r a l l e l d e t e c t i o ns y s t e m ss u c ha su l t r a - h i g h d e n s i t ys t o r a g e ，p a r a l l e l f a b r i c a t i o np l a s m a d e v i c e s ，e ta 1 h o w e v e r , t h ep r e p a r a t i o no fh i g hq u a l i t yp z tt h i nf i l m i sr a t h e r t i m e c o n s u m i n g ，w h i c hl i m i t si t sm a s sp r o d u c t i o na n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n a st h e s e l f - s e n s i n gf u n c t i o no fp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r si s b a s e do nt h ed e t e c t i o no f p i e z o e l e c t r i cc h a r g e o u t p u to ft h ep z tl a y e r , i t i sn e c e s s a r yt oe n c h a n c et h e s e n s i t i v i t yo fm i n i a t u r i z e dp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s a d d i t i o n a l l y , t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nm i c r o s e n s o r sm a k e si t d i f f i c u l tt or e a l i z e p a r a l l e l - d r i v i n g a n d p a r a l l e l m e a s u r i n g t h e r e f o r e ，w ef o c u s e do nt h es e n s i t i v i t ye n c h a n c i n ga n dp a r a l l e l d e t e c t i o nt e c h n i q u ew i t hp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，a n dr e s e a r c ho nt h er a p i d p r e p a r a t i o no fh i g hq u a l i t y p z tt h i nf i l m ，t h ef a b r i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c m i c r o s e n s o r sw i t ho p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，p a r a l l e ld e t e c t i o nt e c h n i q u eo fw e a k p i e z o e l e c t r i cs i g n a l t oe n c h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，t h ep r o p e r t i e so f p z tt h i nf i l ma n dt h ep a r a m e t e r si nf a b r i c a t i o ns h o u l db ee n h a n c e da n do p t i m i z e d p e r o v s k i t el a n i 0 3f i l mw a si n t r o d u c e da st h es e e dl a y e ri np z t f i l mp r e p a r a t i o nw i t h r a p i dh e a tt r e a t m e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e n s i t i v i t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f p i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r sw a sc o n c l u d e df r o mt h eb a s i cm i c r o c a n t i l e v e rt h e o r y t h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nf a b r i c a t i o nw e r es t u d i e d d i f f e r e n t i a lc h a r g ea m p l i f i e r sw e r e m o d i f i e df o rp a r a l l e ld e t e c t i o n s e l f - s e n s i n ga n ds e l f - a c t u a t e dp i e z o e l e c t r i cp z t m i c r o c a n t i l e v e ra r r a yf o rp a r a l l e l - d e t e c t i o nm a s ss e n s o r sw i t hp i c t o g r a ms e n s i t i v i t y w a sr e a l i z e d t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f a s tp r e p a r a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ep z t f i l ma n df a b r i c a t i o no fp z tf i l mb a s e d i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 者签名：罢垩鲎 2 0 0 暑年月c 1 日 第一章绪论 第一章绪论 本章摘要：基于锆钛酸铅薄膜的自检测压电微传感器，以其独特的自驱动自检 溯特点，逐渐在微纳米领域各种微小量的测量中得到应用。然而，随着微机电 系统技术的迅速发展，为了获得更高的检测灵敏度和更快的检测速度，器件不 断的向小型化和集成化方向发展。因此需要研究提高压电微传感器自检测灵敏 度的方法和实现并行驱动并行检测的技术。本章就基于锆钛酸铅薄膜的压电微 传感器制各和检测技术、微悬臂梁阵列并行工作系统发展现状以及致动型锆钛 酸铅压电薄膜器件的相关背景做了详尽的介绍，并在基础上，提出本论文的研 究目标和研究内容。 1 1 压电微传感器发展现状 1 1 1 压电陶瓷材料的发展 晶体的压电效应是由居里兄弟( j a c q u e sc u r i e 和p i e r r ec u r i e ) 发现于1 9 世纪8 0 年代。有关压电材料和压电理论的研究，直到上世纪四十年代才终于获 得飞跃式发展和广泛应用。先是于1 9 4 3 年发现了钛酸钡陶瓷，之后于1 9 4 7 年利 用其压电效应制成拾音器，从此开创了压电陶瓷的应用。具有优良压电性能的 二元系压电陶瓷锆钛酸铅的颁布( b j a f f e ，1 9 5 4 年) ，使压电陶瓷的应用展开 了新的一页。1 9 6 5 年日本在钙钛矿型压电陶瓷的基础上，根据斯莫林斯基 ( s m o l e n s k y ) 法则，研制成功含铌镁酸铅的三元系压电陶瓷( p c m ) 。此后，各 种性能优良的单元系、二元系、三元系、四元系压电陶瓷以及非铅陶瓷、压电 半导体陶瓷、铁电热释电陶瓷不断问世，使压电陶瓷的逐渐获得广泛应用。与 此同时，压电学理论不断完善，压电学逐渐成为晶体物理学的一个重要分支。 多晶陶瓷之所以具有压电效应，是因为构成陶瓷的晶粒沿某一方向取向所 致。由于压电陶瓷只有在极化后才显示出压电性能，因此构成压电陶瓷的晶体 必须是铁电体，其电畴是可以转向的。二元系锆钛酸铅陶瓷p b ( z r , t i ) 0 3 ( p z t ) 是a b 0 3 型钙钛矿相结构的铁电体。p z t 晶粒在极化之前显示出各向同性的中心 对称结构，正、负离子中心相互重合而使晶粒不具有极性，极化过程中的晶格 畸变将使正、负离子偏离其平衡位置，形成电偶极子，如图1 1 所示。反之，在 第一章绪论 ( 勋，e s ! d 大分子束外延( 勿尾c 材 矿屁鲫励泐叫) 等，也在尝试和改进中。 p z t 压电薄膜制备技术的发展，为p z t 薄膜在m e m s 领域获得广泛应用奠定了 坚实基础。这些原理与方法上各异的p z t 薄膜制备技术，所获得的p z t 薄膜在 性能与厚度方面各不相同，适用于不同的应用场合。 磁控溅射法： 磁控溅射是i c 工艺中和微机电系统中常用的制备方法。它利用的是a r 的高能 离子轰击靶材将靶材中的成分溅射到衬底上形成薄膜。由磁控溅射法得到的 p z t 薄膜结构致密、附着力强、厚度均匀，并且具有良好的电学性能，加上工艺 兼容性好，因此在铁电存储介质研究中广泛采用【4 】【5 1 。但是由于p z t 中p b 、t i 、 z r 、o 各种元素的溅射速率不同，加之高速飞行的粒子到达样品或腔体后往往形 成二次溅射，因而难以准确控制p z t 薄膜的组分。另外，磁控溅射法制备p z t 薄 膜的速度比较慢，因而不适合微传感器和微制动器中的中厚p z t 薄膜的制备。 脉冲激光沉积法： 脉冲激光沉积法使用强脉冲激光束轰击靶材，使靶表面产生大量激发态的带 电微粒并高速射向衬底，从而形成致密的p z t 铁电薄膜【6 】【7 1 。研究表明，当脉 冲激光束能量密度足够高时，由于粒子弹射起主导作用，所得p z t 铁电薄膜的 成份与靶面高度一致。但是受激光光斑大小限制，p z t 薄膜的沉积速度比较慢， 加之脉冲激光沉积法设备昂贵，因此一般脉冲激光沉积法主要用于供实验性研 究的p z t 薄膜的制备当中，该方法难以应用于器件级薄膜的制备。 溶胶一凝胶法： 溶胶凝胶法通过旋转镀膜工艺将前驱溶液涂敷在衬底上形成湿膜，再经过 热裂解、退火等热处理工艺最终得到p z t 铁电薄膜。溶胶凝胶法设备简单，成 本低，制得的薄膜结构致密、化学成份准确且性能优于用其它方法得到的p z t 薄 膜，因此是微机电系统中最常用的p z t 薄膜制备方法之一。p z t 湿膜在后续热 处理过程中体积迅速收缩，极易产生内部应力集中导致薄膜开裂，从而使薄膜 单层不开裂最大厚度难以超过1 2 0 n m 。因此为了得到l 岬以上的p z t 薄膜，需 要反复使用旋转镀膜工艺，这就带来热处理时间上的增加而往往造成n 扩散等 问题。为此，人们采用缩短单层热处理时间的方法，来实现p z t 薄膜的快速制 备，但这往往会带来性能上的损失。 除上述三种方法之外的其他方法在p z t 薄膜得性能、制各效率或工艺兼容 性等方面还存在很大不足，因而目前尚未广泛采用。 3 第一章绪论 随着研究的不断深入，高性能p z t 压电薄膜的制备技术越来越受到人们的 关注。然而目前尚没有一种方法能够兼顾薄膜性能和制备效率，为基于p z t 压 电薄膜微器件研究带来了困难。实现高性能p z t 压电薄膜的快速制备技术成为 微机电系统研究中迫切需要解决的一个前沿课题，具有强烈的理论研究和工程 应用前景。 1 1 3 基于锆钛酸铅薄膜的压电微传感器 由于p z t 压电薄膜表现出了比z n o 更高的压电系数和机电耦合系数，因此因 此在诸多基于压电薄膜的m e m s 器件应用中，p z t 压电薄膜逐渐成为取代z n o 的 一种重要的压电材料。各种基于p z t 压电薄膜的器件纷纷问世，包括压力传感器、 加速度传感器、声体波微波器件( b a w ) 和声表面波器件( s a w ) 在内的各种 谐振式传感器纷纷采用p z t 压电薄膜作为驱动和传感材料f 引。 zi t o h 首先将力传感的压电微悬臂梁作为原子力显微镜的探针用于非接触模 式样品扫描【9 】。随后又成功的实现了自驱动p z t 压电微悬臂梁的图像扫描，开创 了p z t 压电微传感器自驱动自检测应用的开始【1 0 1 。p z t 压电微悬臂梁在扫描力 显微术领域的优异表现，使其应用从最初的力探测逐渐拓展到各种微小量测量 中。尤其是近年来如火如荼的生物微机电系统( b i o m e m s ) 研究中，结构紧凑 并且适用于各种环境下工作的压电微悬臂梁受到越来越多的关注。随着检测量 不断减小，器件的尺寸越来越小，而对检测灵敏度的要求越来越高。 有别于单纯的作为传感材料时对电学量的检测，基于自驱动自检测的压电 微传感器在工作时压电信号是和激励信号混合在一起的。同时，器件尺寸的减 小虽然使p z t 压电探针的灵敏度得到提高，但同时也提高探针的工作频率，降低 了探针压电信号的输出幅值【1 1 】。这就给p z t 压电探针工作状态的检测带来了困 难。为了实现p z t 压电探针上微弱压电信号的检测，可以在衬底上制备一块与 p z t 压电探针上的薄膜面积相等的p z t 薄膜，并利用差动方式减去混合输出中的 非压电电荷输出【3 8 】。然而由于压电信号的减小，工作频率的上升，线路中寄生 电容和线路电阻带来的影响往往使得两路信号产生相位误差而难以完全抵消非 压电电荷输出，甚至将压电电荷输出淹没。因此，提高压电微传感器的检测灵 敏度成为目前p z t 压电微传感器小型化应用中的主要问题之一。 4 第一章绪论 展多探针原子力显微镜系统的需求越来越强烈【2 9 】 3 0 1 。另一方面，在诸多基于 a f m 原理的测量技术中，如开尔文力显微镜( k f m ) 【3 l 】【3 2 1 、磁力显微镜( m f m ) 【3 3 1 、近场光学显微镜( s n o m ) 【3 4 1 等，多探针并行检测也具有极大的优判3 5 1 【3 6 】。 1 2 1 并行检测系统的发展 多探针a f m 系统研制中的主要困难是悬臂梁变形的检测方法过于复杂。目前 大多数的a f m 采用的是由激光器、位置敏感元件( p s d ) 等光学部件和至少两 个两轴定位器组成的光学测量系统，如图1 3 所示。同时，由于每个探针还需要 独立的位移控制系统，这就使得整个系统非常复杂。因此，简化悬臂梁的变形 检测技术，是多探针a f m 的研制中关键问题。 图1 3 普通原予力显微镜工作原理 针对普通原子力显微系统的光学检测方法难以实现并行检测的特点， k o y a m a 等人采用光学干涉的方法，利用c c d 成像，实现了光学探针阵列的变形 并行检测p7 i ，如图1 4 所示。该系统可望实现多达5 0 0 0 0 根s i n x 变形的并行检测， 但是受到加工误差以及c c d 成像分辨率等各种因素的限制，目前系统的检测分 辨率仅能达到1 “m 左右。同时，由于采用的是悬臂梁弯曲变形时产生的干涉条 纹位置变化来计算悬臂梁的尖端位移，对微悬臂梁的初始形变、弹性等结构因 素要求非常苛刻，因此限制了该系统检测分辨率的提高。 6 第一章绪论 图1 4 光学方法并行读取的多探针s p m 系统 采用自传感的探针可以简化多探针a f m 系统的复杂性【3 8 】。s a t o n 等人采用独 立工作的2 根p z t 压电薄膜悬臂梁组成了一个多探针a f m 系统【”】，如图1 5 所示。 尽管该系统可以通过独立的逼近与传感系统控制每根p z t 探针的位置，从而实现 两个探针间距离的精密调整，并且单根探针的检测分辨率可以达到纳米量级。 但是由于每根探针都采用了独立的控制和检测系统，增加了系统的体积，限制 了探针的数目的增加。该方法所能实现的最多探针数目为4 根探针并行工作。 图1 5 由两根独立工作的p z t 压电探针组成的多探针s p m 系统 i b m 公司从上世纪9 0 年代开始研制基于探针阵列的数据存储研究，其探针 阵列结构被命名为m i l l i p e d e 【4 0 】【4 i 】，如图1 6 所示。探针阵列利用电容平台 的静电力来控制探针的弯曲变形，由热学方法对样品上的数据斑进行读写【4 2 】【43 1 。 7 第一章绪论 1 3 致动型p z t 薄膜器件 作为微机电系统中一种重要的驱动材料，p z t 材料具有较高的压电系数和理 想的机电耦合系数。基于p z t 材料的微致动器往往具有驱动能力强、响应速度快 等优点。p z t 薄膜m e m s 变形镜致动器是一种典型的膜片式致动结构，它通过膜 片不同材料内部应力的不同产生变形，并利用四周固支的结构来增强膜片的致 动能力。在这种结构中，致动器的变形能力和致动能力往往是一对矛盾，因此 如何通过优化结构，在增加致动器变形能力的同时维持甚至提高其致动能力， 是目前基于p z t 薄膜的m e m s 变形镜致动器研究中的主要问题之一【5 1 】。压电薄膜 驱动的全光纤相位调制器，由于其体积远远小于传统的光纤相位调制器，因而 是目前光学系统与微机电系统交叉领域研究中的热点之一【5 7 】。p z t 薄膜驱动的全 光纤相位调制器，利用了p z t 薄膜压电系数高、驱动能力强、响应速度快的特点， 可以得到低压驱动的全光纤相位调制器，因而具有非常广阔的应用前景。而目 前关于p z t 薄膜驱动的全光纤相位调制器的理论还不够完善，p z t 薄膜在光纤表 面的制备方法还不够成熟，这些问题是p z t 薄膜驱动的全光纤相位调制器研究中 迫切需要解决的问题。 1 3 1m e m s 变形镜微致动器 光学系统的设计、加工、材料选择和系统调试等方面技术的不断进步，使得 光学系统的成像质量越来越高。而来自大气湍流、温度、重力等变化形成的动 态扰动，只能通过自适应光学系统实时测量和校正来克服。变形镜是一种常用 的波前校正器。不同的光学系统，对波前校正器的要求也不相同。例如美国的 “类地行星探测器”要求系统的残余像差在整个通光口径上小于1 0 0 0 【5 2 1 。这就 要求变形镜具有尽可能多的单元数目和较低的变形量。而在激光通信领域，不 仅对波前质量有严格的要求，还要求波前校正器具有比较高的响应速度【5 3 1 。 目前还没有一种变形镜技术能够完全满足这些应用场合。无论是基于电致伸 缩材料镁铌酸铅( p m n ) 致动器的变形镜，还是基于静电式致动器的变形镜， 虽然都可以获得比较好的镜面质量和稳定性，但致动器的变形量都非常有限洋j p 引。基于压电陶瓷材料锆钛酸铅( p z t ) 的变形镜致动器，虽然具有驱动力大、 响应速度快等优点，但是致动器的体积往往比较大【5 6 1 。为了实现变形镜的微型 化、提高系统集成度，美国喷气动力实验室开展了以m e m s 技术制造微型变形镜 的研究，提出并研制了2 5 m m 直径的圆形p z t 薄膜微致动器，并在此基础上制备 9 第一苹绪论 了连续镜面的变形镜【l 豁1 。虽然这种致动器本身的变形量很大，在2 0 v 电压驱动 下可以获得5 7 i t m 的变形量，但在驱动2 0 1 1 m f l q 连续镜面工作时的变形量大大降 低，3 0 v 电压下的最大变形量只有l g m 。 因此，如何通过对致动器的结构参数优化和改进p z t 薄膜的性能来提高致 动器的刚度和驱动性能成为m e m s 变形镜微致动器研究中的关键问题。 1 3 2 全光纤相位调制器 光纤相位调制器是光纤激光器、光纤谐振腔、光纤干涉仪等系统的重要器件。 传统的光纤相位调制器体积大，难以消除二次折射，耦合结构复杂，耦合损耗 大。因而全光纤相位调制器受到越来越多的关注【5 7 】【5 8 】【1 2 8 】【1 2 9 1 。全光纤相位调制 器是在光纤表面沉积层具有压电性的薄膜制成，它利用电场作用下压电薄膜 的体积变化引起光纤内部应变，从而改变光纤的折射率，实现相位调制。全光 纤相位调制器具有体积小，驱动电压低，易于集成到全光纤系统中等诸多优点。 相位调制效率，即单位电压在单位长度的全光纤相位调制器上引起的相位变化 量，是衡量全光纤相位调制器性能的重要指标。通常，材料的压电性能越好， 相应的全光纤相位调制强的相位调制效率越高。但是由于光纤表面压电薄膜制 备技术尚不成熟，不同的制备工艺与压电材料在光纤表面获得的压电薄膜的性 能与尺寸上面存在很大的差异。因此，如何通过工艺优化，制备出性能优异的 全光纤相位调制器，成为研究的热点。而通过建立数值模型，分析压电薄膜的 各项性能参数与相位调制性能的关系，对于优化工艺过程，明确优化方向有着 重要的意义。 zj a r z y n s k i 针对基于压电聚合物p v f 2 的全光纤相位调制器建立了一种数值 模型，用于计算全光纤相位调制器内部应力状态，并得到了相应的光纤相位调 制效率【1 2 引。d a 。b a r r o w 等人进一步发展了该模型，并将其应用于基于p z t 的全 光纤相位调制器【1 2 9 1 。但是d a b a r r o w 的模型当中并没有考虑p z t 材料的重要参 数侧向压电常数d 3 l ( 等效于h 3 1 ) ，同时该模型用于计算p z t 压电陶瓷薄膜覆膜内 部电位移的公式当中存在一个未知常数玩，需要由实验测得。么b h a t t i 等人使用 有限元方法，分别对基于压电聚合物和压电材料a i n 的全光纤相位调制器进行了 数值模拟【5 7 】【5 8 1 。虽然有限元方法计算结果与实验结果吻合比较好，但是有限元 方法计算速度慢，计算过程比较复杂。因此针对以上情况，本文提出了一种简 单、高效的计算方法，并在所建立的模型当中充分考虑了压电常数函l ，并给出 第一章绪论 了电位移常数d o 的计算方法。 另外如何在光纤表面制备压电薄膜，尤其是p z t 薄膜，受到越来越多的关注。 g y 等人使用提拉法在镍合金丝和光纤表面制备了6 呻厚的p z t 薄膜【5 9 】【6 0 1 ，并通 过在前驱液当中添加p z t 粉末使单层厚度增加，并最终在光纤表面得到了1 2 0 p , m 厚的p z t 厚膜【6 1 】【6 2 1 。但是提拉法制备的p z t 薄膜厚度难以控制，薄膜结构不够致 密，性能较差。g l e nr f o x 等人使用磁控溅射法在光纤上制各了0 5 - 1 0 岬厚的 p z t 薄膜，并成功制备出了全光纤相位调制器【6 3 】【6 4 册】。尽管磁控溅射方法制备 的p z t 薄膜在性能上获得了一定提高但是使用磁控溅射方法难以制备厚度在 l t m 以上的p z t 薄膜。还有人尝试了脉冲激光淀积法、电泳法等方法在光纤或金 属细丝表面制各p z t 薄膜，但是所获得的p z t 薄膜存在厚度不均匀、结构不致密、 性能较差等缺点【6 6 】【6 7 1 。因此发展一种可以在微米直径细丝表面制各结构致密的 p z t 薄膜制备技术，成为基于p z t 压电薄膜的全光纤调制器研究中迫切需要解决 的问题。 1 4 本论文的研究意义及构成 1 4 1 本博士论文的研究目标和意义 本博士论文的总体指导思想是以实现p z t 压电微传感器的灵敏度优化和并 行探测为目标，进行p z t 压电探针的优化设计和加工工艺，研究探针阵列的并 行驱动和并行检测方法，并试图对该并行工作系统中的若干关键问题进行深入 研究。具体的研究目标概述如下： ( 1 ) 分析快速热处理工艺对p z t 薄膜性能的影响，研究在快速热处理过程中 诱导p z t 压电薄膜( 1 0 0 ) 择优取向形成的技术，并设法得到高性能p z t 压电薄膜的快速制备方法。同时，研究基于p z t 压电薄膜的微传感器和 微致动器的加工工艺，分析影响器件性能的关键因素。 ( 2 ) 对基于p z t 压电薄膜的微悬臂梁的性能进行理论计算，研究影响p z t 压 电微悬臂梁的检测分辨率的因素：优化器件的参数设计和加工工艺，分 析并行工作系统应用中对p z t 压电微悬臂梁的性能要求；并深入研究并 行探测中系统的工作模式、并行驱动并行检测的等若干关键问题。 ( 3 ) 研究p z t 压电微悬臂梁工作时的压电信号特点，设计合适的电荷放大电 路。研究包括线路寄生电容、输入电阻等因素对前置放大电路的性能影 第一章绪论 响，通过合理的电路设计对其设法消除；研究提高p z t 压电微悬臂梁品 质因数的调制电路的实现方法：实现对p z t 压电微悬臂梁阵列进行并行 驱动并行检测的控制电路，并对其性能进行测试。 ( 4 ) 测试所制备的p z t 压电微悬臂梁的性能，在此基础上，分析样品的表面 物理化学性能、探针样品相互作用力等因素对探针输出的影响。在上述 研究目标实现的基础上，进行并行探测实验，并研究其中的关键问题。 研究液体环境下p z t 压电微悬臂粱的工作特点。 5 ) 对基于p z t 压电薄膜的变形镜微致动器的结构进行优化，提高其驱动能 力。建立适合于基于p z t 压电薄膜的全光纤相位调制器的数学薄膜，并 分析p z t 压电薄膜厚度、电极尺寸等因素对调制器的性能影响。通过溶 胶电雾化方法实现在光纤类非平面上p z t 压电薄膜的制备。 1 4 2 本博士论文的构成 基于以上研究目标，本博士论文由以下七章构成： 第一章主要介绍了本研究的背景，包括p z t 铁电薄膜在微机电系统中的地 位；基于p z t 压电薄膜的微传感器和微致动器的历史和现状：基于微悬臂梁阵 列的并行工作系统的基本原理以及现状；致动型p z t 薄膜器件应用中存在的问 题等。在此基础上，提出了本博士论文的研究目标和研究内容。 第二章从理论上分析了p z t 压电薄膜微悬臂梁性能的几个主要性能指标， 包括弹性系数、谐振频率、品质因数和驱动变形能力；进一步分析了影响p z t 压电微悬臂梁的检测分辨率的因素和提高检测灵敏度的方法；针对并行工作系 统应用，探讨了p z t 压电微悬臂梁的工作模式，进行了压电微悬臂梁阵列的优 化设计，为后续研究提供了理论指导。 第三章介绍了基于镍酸镧种子层的高性能p z t 压电薄膜的制备方法；研究 了p z t 压电薄膜的快速热处理方法及其改进；分析了基于p z t 压电薄膜的微器 件加工过程中的若干关键工艺；并最终总结出的p z t 压电微悬臂梁制备的完整 工艺过程是为后续的研究的实验基础。 第四章研究了基于差动电荷放大原理的压电电荷检测技术，并以此研制了前 置放大电路：根据p z t 压电微悬臂梁的等效模型分析了影响前置放大电路输出 的因素，并提出了一种解决方法；研究了并行工作系统中的核心部分并行驱动 和并行检测电路的实现。该部分电路的成功研制是后续实验的重要基础。 1 2 雕一鄯醚雕 羹；蕞雪隆纂羹霪翼雾甬髦赫薹羹錾禹i 塞垂釜零p z t 要雾篓疆墅鬟菱 髦基淫雾篓雹薹帚了蕊野雒i 荠蠹妻p z t 飘奏羹纂囊羹羹疆篱蓁垂坛 轹鐾；霎雾要蓁霎盈雾雾蓠。霎瞄溜地羹出 匕以薹。 薹詈| 篓维| j ；密惺溶钎p z t 引誊墨撂霎烈冀鼗彩! 塑薹荔墓鋈i 群溱徜蓁薹鼎刿 墅茜鏊菰凄羹；梁耷；琢羹翼囊蓄耐篓篡嚣篓荔甚磁缓薹霎冀萋；土霪攒 锻耄耋遵垂零羹誊鼬募j 访青霪慧囊薹| 要塞i 囊遵夔蓄蓁耋| | 蠹磬羹商二 器羹鬻丝霸受p z t 围囊啾蒂篓彰筹鑫阮堪霎； 垂雾! 荔器墅p z t 羹囊萎力蓁雾渖鬟固露垂雾蓁霎曩塞疆等萋；囊蓁曼墓雾篓 蒌i 扼藿洛谢哆捕椎p z t 斟薷塑塑童湮篓霎降鳖萎鬟蓁塞蓊羹羹簇i 霉 痹强p z t 掣囊蟛潍噌堡；薹藿霪萋驰薹雾耋羹杉藩翥蓑蓁霎垦。蓁鍪乒 勤。薹哥留囊蒲蔼前耋萎焉萎壁霎堕篱p z t 麓薹笺甍薹器嚣； 1 4 。2 褪蔡蓑囊藁对薄冀 霉蓁鬟刳鼬譬霪饷i 并键霎萎萎雾蓁雾磊 ：i 霍霪! 薹一状况酒一诧蓁琵鬈蓁囊荠墓；器等p z t 塞鎏强笤曼霎荫冀牛茫藿篓墓 霉i 健箔p z t 零| 薹羹 雾幕塑需蛰霾塌萋堕翟薹篓型；委鬟羔! 篓蔷增蟊霄冀嚣 睡墓器釜季霭季墅垄重霎蓠鬈豪需攮驾j 骺警窭p z t 雾量篓蓁髦藏薹蓄 霸篓；幕钴髅i i ；爱；瓤蕤警酉斋舔矍霉堡篷晤雾塞囊臻囊薹剑； 嘲律慷餮蕊嚣涉粪p z t 蓄薹霎塑霎錾薹蓥静誉蓟厕画嚣瓢觚羹雾一； 亲帛篓f 踣。翼黜室f ；藿压电改睁爵蠹羹羹臌蓁；涠一疆w 州羹“蓁p z t 第二章压电微悬臂梁灵敏度优化 第二章压电微悬臂梁灵敏度优化 本章摘要：微悬臂梁型压电微传感器是灵敏的力探测和微质量检测元件。本章 首先根据微悬臂梁的基本理论，对p z t 压电微悬臂梁的机械参数进行了计算， 并由高斯定理推导了压电微悬臂梁的压电输出性能。在此基础上，分析了影响 力探测和微质量检测的分辨率的要素，并从提高灵敏度的角度对微悬臂梁的结 构进行了优化设计。最后，根据微悬臂梁阵列特点，分析了微悬臂梁阵列并行 工作系统应采用的工作模式以及实现方法。 2 1 压电微传感器的检测分辨率 谐振式压电微传感器主要分为两种，一种是单自由度弹性器件，一种是超声 器件。前者以压电微悬臂梁为代表，以对微小量的测量为主，大多应用于基于 扫描力显微术的纳米领域性质测量；后者以声表面波器件为代表，以对较宏观 的量为主，在气体、生物传感等方面具有优势，并且逐渐实现商业化产品。 对以压电微悬臂梁为代表的单自由度压电微传感器来说，系统的检测分辨率 取决于系统的噪声水平。系统的噪声来源于两个方面，一方面是系统与周围环 境发生热交换引起的热噪声【6 8 1 ；一方面是压电微传感器的微弱信号在转换和放 大过程中，由电路和测量仪器所引入的噪声。前者是压电微传感器检测分辨率 的物理极限，后者则是微弱压电信号检测中需要进行避免或抑制的。通过对测 量系统的灵敏度进行优化以及噪声抑制，如补偿系统的漂移等，最终系统将面 临由热力学因素所决定的检测分辨率物理极限f 6 9 】f 7 0 】。 压电微悬臂梁的热机械噪声来源于微悬臂梁与环境的热平衡。微悬臂梁的机 械能由于能量耗散的原因转化为热量流失，其能量耗散得越快，微悬臂梁的振 动达到热平衡的速度越快，品质因数q 越低。反过来，环境的热噪声也使得微 悬臂梁产生一定的随机振动。对于能量耗散与随机热激励的关系在统计学的“起 伏散逸定理”( f l u c t u a t i o n d i s s i p a t i o nt h e o r e m ) 中有所论述。“起伏散逸定理”不 仅适用于电阻的j o h n s o n 噪声计算，也适用于机械系统的噪声计算。 最小检测分辨率是压电微传感器最重要的性能指标。为了得到检测分辨率与 压电微传感器结构参数的关系，对器件的设计加工进行指导。我们将从压电微 1 4 第二章压电微悬臂粱灵敏度优化 悬臂梁的物理模型与热力学基本原理出发，得到检测分辨率与压电