（物理电子学专业论文）压电薄膜微力传感器特性研究.pdf

大连理一r 大尹硕十学位论文 摘要 压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电 路简单等特点，在精密位移。精密定位、声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的 应用。压电薄膜材料是适用于m e m s 器件的功能薄膜材料，其中，p z t 薄膜具有较高 的压电性能，受到研究者的青睐。 本文结合双压电薄膜的微悬臂梁结构，研究了p z t 压电薄膜微力传感器特性，并对 该传感器应用于实际微操作过程进行了初步探索。本文的主要工作包括：搭建微力传感 器测试平台；微悬臂梁频率特性表征：双层和双片压电薄膜微悬臂梁结构传感和执行能 力测试；集成执行功能的微力传感器性能表征。 微力传感器的尺寸在几百岫，硝级小力的产生和控制比较困难，而且在 i n 级微 小力作用下压电薄膜产生的电荷信号非常微弱。在设计微力传感器测试系统时，利用压 电双晶片微探针来施加微力，选用电子天平标定静态微小力，通过精密三维定位台进 行微定位，利用光学显微镜进行微观观测。 对本课题组制作的p z t 薄膜微型悬臂梁，进行了独立传感和执行性能测试，并通过 传感和执行性能灵敏度，分别基于正、逆压电效应，通过改进的s m i t h 方程推导出横向 压电系数西l 计算公式，计算结果表明两种方法所得西l 比较接近。用光学法和冲击法测 试了压电悬臂梁的频率特性，测试结果与理论分析结果基本一致。 对于集成双压电薄膜微悬臂梁的特殊结构，分别进行了双压电p z t 薄膜微悬臂梁的 微力传感和微小力执行性能的实验研究，包括微悬臂梁做传感和执行器件时的灵敏度、 分辨率、时间稳定性、迟滞特性、重复性、线性度；发现双片微悬臂梁执行和传感能力 与压电薄膜长度及位置有关。 进行了双片结构微悬臂梁集成传感和执行功能的测试。并利用n i 公司的数据采集 卡d a q p a d 6 0 1 5 ，通过l a b v i e w 程序控制d ，a 和a d 端口，实现了微操作模拟。 关键词：压电薄膜；微执行器；微力传感器；微悬臂梁 压电薄膜微力传感器特性研究 s t u d yo nm i c r o f o r c es e n s o rb a s e do np i e z o e l e c t r i ct h i nf i l m a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i cs e n s o r sa n da c t u a t o r sw i t hm a n y a d v a n t a g e si n c l u d i n gs i m p l es t m c t l l r e f a s t r e s p o n s e ，h i g hf r e q u e n c y ，a n ds i m p l ed r i v i n ga n dm e a s u r i n gc i r c u i t ，h a v eb e e ne x t e n s i v e l y a p p l i e dt ou l t r a s o n i cd e v i c e s ，p r e c i s i o np o s i t i o n i n g ，d e t e c t i n go fa c o u s t i c sa n dm e c h a n i c p a r a m e t e r s ，e r e p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a li su s e da sm e m sf u n c t i o nm a t e r i a le x t e n s i v e l y p z t t h i nf i l ma so n et y p eo f p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a lw i t i le x c e l l e n tp i e z o e l e c t r i c i t yi ss t u d i e db yl o t s o fs c h o l a r t h em a i n w o r ki n c l u d e s b u i l d i n gt h ee x p e r i m e n ts y s t e m t om e a s u r em i c r o f o r c e ， c h a r a c t e r i z a t i o no f t h em i c r o c a n t i l e v e r sf r e q u e n c y ，m e a s u r i n gt h et w o s e g m e n ta n dt w o l a y e r p z tt h i nf i l mm i c r o c a n t i l e v e r ss e n s i n ga n d a c t u a t i n gc a p a b i l i t y c h a r a c t e r i z a t i o no ft h e m i c r o c a n t i l e v e ra 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 m i c r o f o r c es e n s o r sd i m e n s i o ni ss e v e r a lh u n d r e d so fi x m ，t h eg e n e r a t i o na n dc o n t r o lo f t h em i c r o f o r c ei s v e r yd i f f i c u l ta t 州l e v e l ，a n dt h ec h a r g es i g n a lg e n e r a t e db yt h e p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a la t 州f o r c ei sv e r yw e a k h lt h em i c r o f o r c em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a m i c r o p r o b ea d h e r e do nb i m o p hi su s e dt og e n e r a t et h em i c r o f o r c e ，e l e c t r i cb a l a n c ei su s e dt o c a l i b r a t em i c r o f o r c e ，a3 dp o s i t i o n i n gs t a g ei su s e dt op r e c i o u sp o s i t i o na n dam i c r o s c o p ei s u s e dt oo b s e r v et h em i c r o c o s m i c t h em e a s u r e m e n to ft h ep 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 ss e n s i n ga n da c t u a t i n gc a p a b i l i t y i sc a r r i e do u t n l ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f p i e z o e l e c t r i cc o n s t a n ta 3 ii sd e d u c e db a s e do nd i r e c t o rc o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c lr e s p e c t i v e l y c a l c u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ev a l u e so fd 3 1b y t w om e t h o d sa r ea p p r o x i m a t e l ye q u a l t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r o c a n t i l e v e ri s t e s t e db yo p t i c a lm e t h o da n di m p u l s ee x c i t i n gm e t h o d ，a n dt h er e s u l t sa r ec l o s et ot h e t h e o r e t i cc a l c u l a t i o n 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 ra n dm i c r o a c t u a t o rb a s e do np 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 sa r ec a r r i e do u t ，t h es e n s i t i v i t y ，r e s o l u t i o n ，s t a b i l i t y ，h y s t e r e s i s ，r e p e t i t i v e n e s s ， l i n e a r i t ya n ds oo na r es t u d i e d t h et w o s e g m e n tm i c r o c a n t i l e v e ri sm e a s u r e da sa 舭t u r ei n t e g r a t e dm i c r o s e n s o ra n d m i c r o a c t u a t o r t h es i m u l a t i o no f m i c r o o p e r a t i o np r o c e s s i s p e r f o r m e d ，u s i n g t h e n i d a q p a d 6 0 1 5b yl a b v i e wp r o g r a m m ec o n t r o l l e dd aa n da dp o r t k e yw o r d s ：p z tt h i nf i l m ；m i c r o a e t u a t o r ；m i c r o f o r c es e n s o r ；m i c r o c a n t i l e v e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕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、博二l 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 卢吆勿 导师签名：查笙查： 兰盟年j 月一6 n 大近理 大学顷学侍论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 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 究带来了巨大的机遇，各种微型传感、执行器件的出现，使人们认识自然、改造自然的 能力得到了进一步的加强。在军事国防、航空航天、民用工业、科研等方面越来越需要 微型、高度集成、多功能、高可靠性的功能器件来满足不同需要【l d l 。铁电性p z t 薄膜 因其具有优越的压电性能已经成为m e s m s 器件中最受关注的功能材料。压电器件具有 能量密度高、可靠性高、响应速度快、灵敏度高以及功耗低、成本低的特点，已经在世 界的各个行业、各个地区发挥着非常重要的作用。当今，人们把越来越多的目光集中在 微型压电器件的研究和应用上h 。 压电微传感器和执行器是压电类微型器件中两个基本组成成分，已经在微型惯性传 感器、微型声传感器、微型电机、微型定位装置上得到了具体应用。在微观领域，在微 型运动机构以及执行机构的运动过程中，人们很难直接实时观察和获取在执行过程中所 受到的环境以及机械载荷的作用，特别是当各种力学、声学、热学等物理量的作用混杂 在一起，人们希望能够把它们独立分隔开来，能够清楚地认识和感受，并实现有针对性 的控制【卯。微型压电传感器件以其结构简单，易于微型化等特点非常适用于微尺寸下的 测量 5 - 7 。 本文得到国家自然科学基金重点项目“适用于s o c 的声、热、力微传感器系统基 础研究”( 9 0 2 0 7 0 0 3 ) 的资助，开展基于压电p z t 薄膜微力传感器的相关研究。作为微 纳米技术和生物技术等前沿学科的重要研究工具，微力传感器的研究在国内外得到了越 来越多的关注。它主要应用于微尺度环境下的微力测量，微操作、微装配的力反馈以及 微结构表征等领域，其中微悬臂梁是最常见的一种微力传感器结构。传统力传感器的最 高分辨率是m n 级力，小于m n 级的力只有采用电子天平测量其质量然后换算得到。压 电微小力传感器可望做成测量n 级微小力的传感器。压电薄膜材料制作工艺与集成电 路工艺相兼容的性质为实现基于s o c ( 片上系统) 的多传感器融合提供了可能。并且压 电式微力传感器具有灵敏度高，易于与压电微执行器集成等优点使其具有很多潜在的应 用价值。 1 2 微机电系统概述 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 是2 0 世纪末发展起来 的一门新兴的前沿学科，它是在微电子技术二维表面加工技术的基础上发展起来的以 压电薄膜微力传感器特性研究 硅、玻璃、有机材料以及金属材料的三维加工技术为基础，结合功能材料的薄膜化制备 工艺，把微型传感单元、执行单元、微能源以及微电子电路集成在一个芯片上的具有传 感、执行和数据处理功能的微型系统i s 。m e m s 包含一些尺寸从0 1 p m 到0 1 m m 之间的 器件，通过机电、电化学方法实现的具有一定工程功能的器件，足面向完成特定工程任 务而设计制造的功能系统。微型化是m e m s 的一个特点，但不是唯一特点。概括起来， k i e m s 不但具有微型化、智能化、多功能、高集成度的特点，而且，由于m e m s 可以大批 量制造，大大降低了m e m s 产品成本；通过逐步完善m e m s 设计方法和制造工艺的标准化 程度，可以使m e m s 的设计更加灵活，重用率更高，制造工艺过程更加高效1 9 。m e m s 技 术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统【1 0 i 。 m e m s 技术是一个典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学 的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学 等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面b m 3 ： ( 1 ) 微观基础理论研究：在当前m e m s 所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规 律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因 此许多原来的理论基础都会发生变化，如微观摩擦机理、静电驱动深宽比法则、驱动稳 定性条件、空气和稀薄气体的阻尼、微机械应力的获取规则、噪声作用、微机械热平衡 与传输规律、表面张力和毛细管作用规律、非线性振动规律等十分重要的问题，因此有 必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研 究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础性的 研究。 ( 2 ) m e i h s 设计和制造技术研究：m e m s 设计主要包括微结构及微系统建模设计及与 集成电路的混合设计等。目前m e m s 通常的设计方法包括结构化设计、自顶向下设计、 层次化设计等；微器件建模是通过c a d c a m 计算机辅助设计工具进行模拟仿真，如器件 级模拟、电路级模拟、系统级模拟；建立标准的m e m s 器件仿真库可以增强m e m s 设计的 可重用性和效率。l d e m s 加工尺寸在微米( p s n ) 量级，系统尺寸在毫米( t o n i ) 量级，是借助于 一系列特殊的工艺，按照一定的顺序来完成对微器件的制造。微机械加工技术中，除了已 经成熟的微电子制造工艺以外，还派生出了一系列技术分支，如体微加工技术、表面微 ：j n - r 技术、l i g a 和准l i g a 技术、熔接技术等。m e m s 器件的封装技术也是非常重要的， 其中封装方法，封装材料，封装夹具也是人们正在研究的热点之一。 ( 3 ) 实用化研究：人们不仅要研究m e m s 的制造技术，更重要的是如何将m e m s 真正 实用化。目前m e m s 技术已经与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消 费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出了符合各领域要求的微传感器、微执行器、 大通理丁大学硕七学何论文 微结构等m e m s 器件与系统。目前全球大约有6 0 0 余家制造m e m s 的企业，美国、日本以 及德国居前三位，主要产品为微型传感器。 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。鎏 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 e a l m e m s 、o p t i c a lm e m s 、c h e m i c a lm e m s 、b i o m e m s 、r fm e m s 和p o w e rm 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。 1 3 微力传感器概述及研究现状 硅微机械传感器是研制最多、应用最广的m e m s 产品，主要包括压力传感器、加 速度计、流体传感器、化学传感器等。近年来，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，基于m e m s 技术的微力传感器 作为一种重要的测试工具，主要用于微机器人系统、微操作及微装配系统、微摩擦学研 究、生物力学研究、微小植入式外科( m i s ：m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ) 、单细胞操作、 扫描力显微镜( s p m ) 系统等领域。与目前的商用力传感器相比，基于m e m s 技术的微 力传感器具有以下两个特点：一是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；二是主要用于m n - n n 量级的微力测量。目前，微力传感器的 压电薄膜微力传感器特性研究 压阻式微力传感器是目前研究最多，应用最广的微力传感器，从结构上主要分为悬 臂梁式和四梁式结构。对于压阻悬臂梁式微力传感器，主要应用在不同环境下的微小力 测量，或微操作过程的微小力反馈中，此时微悬臂不但可以测量被操作物体所受的力， 还可以作为对物体进行操作时的制动器或支撑臂。压阻四梁式微力传感器主要应用于生 物力学，或测量微小粒子的受力情况，它的特点是可以测量多维微力【2 0 。j 。表1 ，1 列举 了目前几种压阻式微力传感器的研究成果。 大连理工大学硕十学付论文 1 3 2 电容式微力传感器 n i s t ( 美国国家标准局) 在2 0 0 2 年初启动了一项历时五年的计划，旨在实现对于 l o - 6 n 以下的集中力能够进行稳定地、可靠地、准确地实现与测量，并且相对误差低于 万分之一。为了实现这一目标，n i s t 采用了应用约瑟夫森和量子霍尔效应，通过调节 精密电容的微间距产生一定大小和方向的微力。主要是在保持电容器两端电压不变的条 件下，通过测量两个极板上电荷量随极板间距的变化量来得到微力的大b t 2 3 1 ，如图1 1 所示。 电容极板之间的能量变化可以表示为： 1 d w = f d z = 去矿2 搬 ( 1 1 ) 上 式中，d w 为能量的变化量。f 为微力，出为电容器上下电极的间距变化量，y 为 电容器上的电压，d c 为电容器的电容值变化量。 微力f 可以表示为 f ：三矿：堡 ( 1 2 ) 2出 通过系统误差分析和理论计算，对于1 0 u n 的微力的测量，误差在万分之五左右。 这是2 0 0 3 年的报道，这个项目目前还在进行当中。 图1 1n i s t 的微力测量系统示意图 f i g 1 1 s c h e m m i co f m i c r o f o r e em e a s u r e m e n ts y s t e mo f n i s t 压电薄膜微力传感器特性研究 图1 2 梳状的电容式微力传感器芯片 ( a ) 原理图( b ) 结构s i ) i 照片( c ) 应用 f i g 1 2am i c r o f o r c es e n s o rw i t hac o m b - d r i v ec 锄f 瑭u r a t i o n 加拿大多伦多大学的y s u n 等人研制成功了一种梳状的电容式微力传感器芯片，这 种传感器采用一种新的体硅加工工艺，采用d r i e ( d e e p r e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 和s o l ( s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ) 技术加工而成。这种传感器成功用于测量果蝇起飞时瞬间的上升 力，并且在生物医学方面也有潜在的应用。传感器的灵敏度可以达到1 5 m v 1 t n ，分辨 率为0 6 8 i t n ，测量带宽为7 8 k h z ，具有低功率、低噪音、温度影响小的特点。微型传 感器的原理图、结构体图以及实际应用如图1 2 所示 2 4 - 2 5 。 图1 3 为美国明尼苏达大学设计并制作的二维悬臂梁式电容微力传感嚣【2 6 1 ，通过检 测梳齿结构的电容来测量旌加在悬臂尖端上的力。可测量x 和y 两个方向的力，梳齿结 构的横向运动提高了器件的灵敏度，x 和y 方向的分辨率分别达到0 0 1 t n 和0 2 4 p n ， 这种微力传感器应用于单个细胞操作的力反馈。微力传感器制作采用体硅加工工艺，在 s o i 晶圆上利用深度反应离子刻蚀( d r i e ) 技术制作高深宽比三维结构。 人连理r 大宁硕十学位论文 图1 3 二维悬臂梁式电容微力传感器系统 f i 9 1 3 am i c r o f o r c es e n s o r w i t hc a p a c i t a n c ec a n t i l e v e rc o n f i g u r a t i o n 1 3 3 压电式微力传感器 与压阻式微力传感器相比，目前压电式微力传感器的研究较少，主要原因是基于压 电薄膜的微力传感器研究依赖于压电薄膜制备工艺以及压电性能的研究进展，与压阻式 微力传感器相比，制各工艺比较复杂。但压电式微力传感器的突出优点是灵敏度高，并 且由于压电效应的可逆性，易于与压电微执行器集成，因此具有很多潜在的应用价值 尽管压电传感器本身不支持直流响应，但通过简单的空间分割或添加简单的信号处理电 路，同样可以准确测量低频信号，美国密歇根州立大学s h e n 等【2 7 0 8 】制作了基于p v d f 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的力反馈中， 将p v d f 传感器与微操作探针集成，采用定制的电路将微探针操作物体时所产生的微力 信号提取出来，并进行处理。通过微力传感器对微操作中的接触力或冲击力的测量，调 节探针对物体的作用以保持其安全操作。图1 4 为基于p v d f 薄膜悬臂梁式微力传感器 的微操作系统框图。该微力传感器可以测量亚u n 范围的力。 图1 4 基于f v d f 薄膜悬臂梁式微力传感器的微操作系统框图 f i g 1 4b l o c kd i a g r a mo f t h em i e r o m a n i , u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ep v d f c a n t i l e v e rf o r c es e n s o r 压电薄膜微力传感器特性研究 日本东京大学的t i t o h 等对基于p z t 薄膜的压电悬臂梁式微力传感器做了系统研 究，它用于扫描力显微镜( s f m ) 动态轻敲成像模式的微悬臂，操作中微悬臂采用两种 振荡模式，即外加振荡器激励模式1 2 9 - 3 1 】或压电微力传感器自激励模式 3 2 - 3 4 】。扫描样品形 貌时，探针敲击样品所产生的作用力使探针发生变形，由正压电效应，集成在微悬臂上 的压电薄膜产生与变形对应的电荷。扫描探针显微镜的反馈回路保证不同扫描点的压电 输出电荷与参考值相同，从而实现样品与探针的恒力成像。用压电微悬臂探针代替传统 原子力显微镜中的激光- 探针- 光敏检测器系统，具有可减小系统占用空间，不需精密的 光学对准操作等优点。基于p z t 薄膜的微悬臂梁结构采用体硅加工工艺制作。图1 5 为 基于压电微力传感器的动态扫描力显微镜系统框图 川，在此系统中压电微悬臂梁由外部 振荡器激振，p z t 薄膜( 极化后) 微悬臂梁的微力传感器位移分辨率为0 7 f c n m 。 图1 5 基于p z t 薄膜微力传感器的动态扫描力显微镜系统框图 f i g 1 5b l o c kd i a g r a mo f ad y n a m i cs f mu s i n gt h ep z tf o r c es e n s o r a r a ip 卸等用水热合成方法在微型吸管上面沉积压电p 2 丁薄膜，但是把压电薄膜的 上电极分割成相互独立地两段，如图1 6 所示。采用两段中的一段压电薄膜用来作执行 器，使微型吸管振动在第四阶模态频率上，另外一段压电薄膜用来检测在微吸管吸附上 微小质量后产生的敏感电荷信号变化。这种结构实现了传感器和执行器的集成，是一种 十分新颖的结构，用于微生物操作过程中微小触力的测量，取得了非常好的试验结果。 这种传感器结构很值得借鉴。 8 人违理j 大学硕七学位论文 图1 6 集成执行功能的微触力传感器结构 f i g 1 6s t r u c t u r ei n t e g r a t e dm i c r o a c t u a t o ra n dm i c r o - t o u c hs e n s o r 综上，基于硅微加工技术的微力传感器主要有压阻式、电容式及压电式三种类型。 其中压阻式微力传感器的应用最为成熟，压电微力传感器具有灵敏度高，易于与微执行 器集成等优点，但由于结构制作中涉及到压电薄膜的制备，压电常数测试以及压电薄膜 与其它材料微加工工艺兼容等问题，目前压电式微力传感器的研究尚处于起步阶段。微 力传感器的结构主要为悬臂梁式和四梁式结构，其中悬臂梁结构应用最广，主要应用在 微装配系统、微生物操作、扫描力显微镜中。 1 ，4 基于压电材料的微执行器研究现状 微型机电系统技术是一个新兴的技术领域，而微执行器又是复杂微机电系统的关键 技术之一常用的微执行器根据其驱动方式可分为压电式、静电式、形状记忆合金驱动 等。压电式微执行器是目前应用较广泛的微执行器，它们具有精度高、不发热、响应速 度较快等优点，但输出力小、驱动电压高等缺点也限制了它们的应用。压电执行器是利 用压电材料的逆压电效应，把电能转化成机械能的换能器件。压电执行器主要包括压电 电声器件、压电超声器件、压电开关、压电继电器、压电泵、压电阀等压电换能器件。 压电电声器件主要有压电传声器、压电扬声器、压电耳机等 3 6 1 。压电执行器的研究和应 用领域分场广泛，下面压电执行器作一简单概述。 1 4 1 层叠型压电线性执行器 层叠型压电线性执行器应用压电系数以，来实现执行的功能，如图1 7 所示【3 7 】。 图1 7 层叠型压电执行器的基本结构示意图 f i g 1 7s c h e m a t i co f p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s 压电薄膜微力传感器特性研究 对于单片压电材料来说，它的变形可以表示为： 一a i ：d e ( 1 3 ) 式中掣为应变，d 为压电系数，e 为外加电场。 由于e ：华，因此，可以得到： a i = d u ( 1 4 ) 可见，变形量与电压l 成正比关系。 对于层叠型的结构，总变形量可以叠加，即 乙= 抛3 u ( n = 1 2 一) ( 1 5 ) 输出力为： f ：翼 ( 1 6 ) n t s 蠹 上面各式中，为压电层的层数，西3 为纵向压电系数，u 为加在每一层的电压值， 4 为面积，t 为每一个压电层的厚度，蹬为压电材料的弹性系数，为总位移量，f 为 输出力。层叠型压电执行器的输出位移相对较小，但是输出力较大。 层叠型压电执行装置是最简单的结构，但是它已经在工程上得到了广泛的应用，主 要应用在微进给机构上，比如机床上切削刀具的微进给、原子力显微镜的微型定位装置、 打印机、硬盘读盘装置等。但是由于压电材料产生的位移量相对还是很小，因此，需要 对位移量进行必要的放大，主要通过改进设计来满足不同类型的需要1 3 钔。 1 4 2 弯曲型压电线性执行器 弯曲型的压电执行器输出的位移值相对较大，可达到几个毫米，但输出力较小。对 于并联弯曲型的结构，其弯曲位移和输出力分别为： f _ 等d ，u ( f = 署u ( 18 ) 大连理工大学硕上学衍论文 式中，为压电层总厚度，为氏度，西l 为横向压电系数，i 为压电材料的杨氏模 量。 f f i l h o l 等【3 9 】制作了基于压电p z t 薄膜驱动的硅基谐振扭转微镜，用来获得高频下 的大角度光束扫描。图1 8 为采用两个桥式支撑臂驱动的微镜结构，每个桥臂由沉积于 其上的压电p z t 薄膜驱动，通过桥臂弯曲带动中间的微镜做扭转运动。p z t 薄膜采用 溅射工艺制作，为了保证圆形微镜的平整，结构采用s o i 镜片制作，通过深度反应离子 刻蚀( d r j e ) 工艺从背面释放微镜结构。 图1 8 基于p z t 薄膜的桥臂式驱动的谐振微镜 f i g 1 8r e s o n a n tm i c r o - m i r r o re x c i t e db yb e a m - s h a p e d a c t u a t o r sw i t hp z tf i l m 图1 9 为h k u e p p e r s 等l 加】制作的基于压电p z t 薄膜的微悬臂梁式执行器，用于微 镜或微继电器等器件的驱动，结构采用体硅微加工工艺制作，多晶硅作为微悬臂梁的支 撑层。通过对p z t 薄膜上下电极施加电压使微悬臂梁发生弯曲，当施加电压为1 0 v 时， 3 9 0 p m 长微悬臂梁的尖端位移为2 0 i n n ，1 9 0 1 u n 长微悬臂梁的谐振频率为2 3 k h z 。 图1 9 基于p z t 薄膜的微悬臂梁执行器截面图 f i g 1 9c r o s s s e c t i o no f t h em i c r o c a n t i l e v e ra c t u a t o rb a s e do np z t f i l m 1 4 3 压电超声器件 压电薄膜微力传感器特性研究 压电超声器件是指通过在压电材料上施加高频( 超声) 驱动信号，使压电体发生高 频振动，进而对目标进行驱动和检测的器件。主要的应用有超声波检漏、电力变压器局 部放电检测、超声波电机等。压电超声器件具有反应速度快、制动性好、无电磁感应影 响以及无噪声的特点。 ( a ) 超生微马达示意图 ( b ) 基于p z t 薄膜的膜片式定子结构 图1 1 0 基于p z t 薄膜的膜片式定子的超生微马达 f i g 1 1 0 u l t r a s o n i c m i c r o m o t o r w i t h t h e m e m b r a n eo f t h es t a t o rb a s e d o n p z t f i l m 图1 1 0 ( a ) 为p m u r a l t 研究小组【4 l 】制作的超生微马达示意图，其中下面的定子为基 于压电p z t 薄膜的模片式结构，如图1 1 0 ( b ) 所示，结构采用湿法体硅微加工工艺制作。 压电结构的上电极包括两部分：中心圆电极和外环电极，通过对p z t 薄膜的电极旖加电 压使硅膜片振动，带动转子运动。超生微马达的优点是具有平面外形( 厚度方向的尺寸 很小) ，低转速下能够产生相对高的转矩，基于p z t 薄膜定子的毫米尺度微马达可以产 生o 3 p n m v r m s 的转矩，比相同尺寸的静电微马达转矩大。 1 5 本文的目标及主要工作 基于压电p z t 薄膜的微力传感器的性能主要依赖于p z t 薄膜的性能、微力传感器 结构和基于微系统的测试系统三个因素，本文对基于双压电p z t 薄膜单元的微悬臂梁结 构，搭建了微力系统测试的通用平台，在此基础上对微悬臂梁结构进行传感和执行性能 的测试和p z t 薄膜的横向压电系数西】测量进行了深入研究，主要完成以下工作： 1 、基于电子天平，电荷放大器和锁相放大器为核心的通用微系统测试平台。微力 传感器系统本身尺寸在“m 量级，p n 级小力的产生和控制又比较困难，在u n 级微小力 作用下压电材料产生的电荷信号非常微弱，微力传感器系统的测试和校准较宏观传感器 难度更大。所以开展适用于微力传感器系统测试的方法研究，搭建实用、可靠的微结构 性能参数测试平台十分关键。 大连理1 ：大学硕七学位论文 2 、对于本课题组刘梦伟博士制作的集成双压电薄膜微悬臂粱的特殊结构，建立压 电微力传感器系统动力学模型，分别进行了基于双压电p z t 薄膜微悬臂梁的微力传感和 微小力执行性能的实验研究，并且将实验测试结果与理论分析进行比较，验证了实验结 果的正确性 3 、压电薄膜横向压电系数( d 3 1 ) 测试，在微尺度条件下，薄膜参数的测量很复杂， 这给压电薄膜压电性能的测试带来一定困难。针对本课题组制备的微型悬臂梁，本文通 过改进的s m i t h 方程和执行性能时的输出力和电压关系两种方法，详细推导出各种梁的 横向压电系数计算方法。并且用理论分析和实验方法( 冲击法和光学法) 对压电悬臂梁 的频率特性进行了分析、测试、比较。 4 、利用双片式微悬臂梁结构，本文设计了能够使微悬臂梁同时进行执行和微力传 感功能的测试方法，该测试方法能够克服压电材料本身存在漏电不能进行静态测量的固 有缺点。通过该方法对集成执行功能的微力传感器进行了大量的实验研究，并且利用 n i 公司的数据采集卡d a q p a d 6 0 1 5 ，通过l a b v i e w 程序控制模拟数据输出端口和数据 采集端口，实现了微操作过程的模拟。 压电薄膜微力传感器特性研究 2 压电材料基本理论及压电系数测量 2 1 压电效应与压电方程 2 1 1 压电效应 1 8 8 0 年j 居里和p 居里在。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。对某些电介质施加机械力时，就会引起它内部的正 负电荷中心发生相对位移而产生电极化，从而导致介质的两个表面出现符号相反的束缚 电荷，并且电荷密度与外力成正比，这种由“压力”产生“电”的现象称为压电效应，如图 2 1 所示。利用正压电效应可以制成压电式力、速度或加速度传感器，属于物性型传感 器。 反之，把介电体置于电场中，由于电场的作用，同样也会引起介质内部的正负电荷 中心发生相对位移，进而导致介质发生形变，这种由“电了虻生机械形变”的现象称为逆 压电效应，如图2 2 所示。利用逆压电效应可以制成压电式位移、力输出器，属于物性 型执行器。 正、逆压电效应统称为压电效应4 2 1 。 嬲v 隔 图2 1 正压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f i g 2 1i l l u s t r a t i o no f d i r e c tp i e z o e l e c t r i ce f f e c t ( - - b e f o r ed e f o r m a t i o n ，一a f t e rd e f o r m a t i o n ) 图2 2 逆压电效应示意图 ( 实线为形变前，虚线为形变后) f i g 2 2i l l u s t r a t i o no f i n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t 卜_ b e f o r ed e f o r m a t i o n ，一a f t e rd e f o r m a t i o n ) 2 1 2 压电方程 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。压电晶轴的习惯取 向是：极化方向定义为z 轴或3 方向的正方向，垂直于z 轴的两个方向分别定义为x 轴或1 方向、y 轴或2 方向，见图2 3 。 大连理大学硕+ 学付论文 图2 3 压电晶轴的习惯取向示意图 f i g 2 3i l l u s t r a t i o no f u s u a lp i e z o e l e c t r i cr e f e r e n c ef l a m e 压电方程是全面描述机电耦合与变换中晶体电学量( e ，d ) 和力学量( ls ) 之 间的线性关系的数学表达式，由于边界条件和自变量的差异，压电学方程具有不同形式 4 3 o 在边界条件机械自由、电学短路下其压电方程称之为第一类压电方程，表达了在该 条件下正、逆压电效应各物理量的定量关系。 d = d t + 7 e s = s 2 t + d e d 为压电应变常数矩阵，为应力恒定时的自由介电常数矩阵，s 5 是电场恒定时的 短路弹性柔顺系数矩阵，d ，是d 的转置矩阵。 2 1 3 横向压电系数 压电系数反映了晶体的弹性性能和介电能之间的耦合。测量薄膜压电特性的基本 原理是利用材料的压电效应，包括正压电效应和逆压电效应。即对薄膜施加应力，测 量产生的电荷( 电压) ；或对薄膜加外电场，测量产生的应变，由此得薄膜的压电系 数。横向压电系数的定义为： 小，隧脱效应表示) 或d 3 1 = 。汪鹏效应表示) 式中s 为应变；e 为电场；d 为电位移；r 为应力。薄膜极化方向与薄膜表面垂直。 由于薄膜生长在衬底上，其性能也受衬底的影响。因此需要注意，墨易或d 3 互 并不是自由样品的压电系数吐，而是一个有效值。对大多数材料而言，利用正压电效 应测得的d 3 t 有效值比利用逆压电效应测得的d 3 1 有效值更接近也。真实值】。 2 1 4 压电传感器的主要工作模式 压电式传感器是指以压电效应器件为核心构成的传感器，其工作的物理学理论基础 是某种压电体的正、逆压电效应。国内外，应用压电效应开发了种类繁多的压电式力、 压力、振动、加速度传感器，超声波探头、陀螺传感器等。近几年，还不断研制出各种 压电薄膜微力传感器特性研究 新型的压电传感器件。根据传感器的工作原理，基本上可以将压电式力传感器分为两大 类。 一是根据正压电效应制作的压电式力、压力、振动、加速度、声传感器，这些在受 机械力的作用时，在压电敏感头上产生极化电荷。在信号处理时，将压电敏感头等效成 如图2 4 所示的电荷源或者电压源，通过电荷放大器或电压放大器，将采集到的输出电 荷转化为电压值输出，完成对被测力学量的测试的这类传感器称为传统的极化式压电力 传感器；由于受传感器本身电荷泄漏的影响，传统的极化式压电力传感器不能测量静态 力。由于压电效应产生的电信号一般比较微弱，在采集电信号之前一般需要先进行放大 处理。 c h a r