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用于m e m s 的p z t 压电厚膜及砗基压电悬臂粱的制备研究 摘要 新型、高性能m e m s 器件对所用材料的结构和性能有很高要求。p z t 压 电薄膜以其优异的介电、铁电和压电性能，成为m e m s 应用的研究热点。本 文利用改进的溶胶凝胶技术在a u c r s i 0 2 s i 基片上制各了不同厚度的p z t 压电薄膜，得到了大于4 p m 的p z t 厚膜，并以硅基p z t 厚膜采用半导体微 细加工工艺制备了p z t 压电方式驱动悬臂梁；系统地研究了p z t 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p z t 压电多层薄膜的制备工艺、压电悬臂梁的优化设计以及p z t 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p z t 厚膜的制备工艺，在传统s 0 1 g e l 法基 础上提出一种改进0 3 复合法，即先将0 维的p z t 超细粉末混合到的p z t 前 驱液中，形成均匀、稳定的浆料，在a u c r s i 0 2 s i 衬底上制备了p z t 压电厚 膜。直接利用o 3 复合法所获得p z t 浆料进行成膜，薄膜的表面粗糙，不利 于在m e m s 器件中使用，因此提出采用p z t 溶胶与在p z t 溶胶中加入p z t 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( p v p ) 抑制薄膜开裂，所获得薄膜表面平整、无裂纹，厚度可达4 岬。经多次重复 后，还可以提高p z t 厚膜的厚度。采用此法制备的p z t 厚膜，突破了p z t 厚度的限制，并且重复性好、使p z t 厚膜表面质量得到改善。 通过硅基p z t 压电多层薄膜的制备工艺系统实验研究，得到了p z t 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p z t 厚膜( 4 岬) 的最大压电特性常数d 3 3 为2 0 1 p c n ；采用浮力法测量得至t j p z t 厚膜的体积密 度为4 3 1 9 c m 3 ；p z t 厚膜的最大介电常数为8 0 8 ，在2 5 v 电压下，p z t 厚膜的 剩余极化强度p r 为6 0 i t c c m 2 ，矫顽场e c 为2 3 k v c m 。测试结果表明：在 a u c r s i 0 2 s i 结构上p z t 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p z t 悬臂梁弯曲位移的表达式，同时利用 i n t e l l i s u i t e 软件对硅基p z t 压电悬臂梁结构进行了优化设计。分析了p z t 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p z t 压电悬臂 哈尔滨t 程人学博十学位论文 梁弯曲位移影响，讨论了p z t 压电悬臂梁频率特性，优化了p z t 压电悬臂梁 结构。模拟得到的优化结构参数为硅基p z t 压电薄膜悬臂梁结构在m e m s 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m e m s 技术和改进的s 0 1 g e l 工艺制备了硅基 p z t 压电薄膜悬臂梁结构。实现了p z t 薄膜的制备技术与m e m s 技术的兼 容问题。 最后对硅基p z t 压电悬臂梁进行特性测试，利用非接触光技术测量了硅 基p z t 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p z t 压电悬臂梁的谐振频率。 关键词：m e m s ；溶胶凝胶；p z t 压电厚膜；悬臂梁 用于m e m s 的p z t 压电厚膜及硅基压电恳臂梁的制务研究 宣i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i a1 1 i a bs t r a c t t h em a t e r i a l st h a tt h en e wa n da d v a n t a g ep e r f o r m a n c em e m sd e v i c e s c o n s t i t u t er e q u i r eh i 曲r e l i a b i l i t y 、) v i t l lt h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e s t h a ti sr e a s o n w h yt h ep i e z o e l e c t r i cp z tt h i nf i l l sh a v ep a i dm u c hm o r ea t t e n t i o n si nm e m s a p p l i c a t i o n si s t h o s ee x c e l l e n tp r o p e r t i e sf o rt h e i rd i e l e c t r i c ，f e r r o e l e c t r i ca n d p i e z o e l e c t r i c i nt h i st h e s i s ，t h ep i e z o e l e c t r i c p z tt h i c kf i l l s 谢t l ld i f f e r e n t t h i c k n e s s e sw e r ep r e p a r e do na u c r s i 0 2 s is u b s t r a t e sb yas o l g e lt e c h n i q u ea n d t h em a xt h i c k n e s so b t a i n e di sa b o u t4l a i n t h es i l i c o nm i c r o - c a n t i l e v e r sb a s e do n t h e p z 飞| 入、l c r s i 0 2 s i m u l t i l a y e r s t r u c t u r e sw e r ef a b r i c a t e d t h r o u g h s e m i c o n d u c t o rm i n - m a c h i n i n gp r o c e s s t h ec a n t i l e v e r sf a b r i c a t e dp r o c e s s i n ga n d m i c r o s t r u c t u r e so ft h ep z tt h i c kf i l l sw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y ，a n dt h e i r r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i e l e c t r i c ，f e r r o e l e c t r i ca n dp i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e sw e r e c o n f i r m e d t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e so fp z tf i l m s ，t h eo p t i m i z i n gd e s i g nf o r s i l i c o n b a s e dp z tt h i c kf i l ma n dc o m p a t i b l ep r o c e s s e so fc a n t i l e v e r sw i t hp z t t h i c kf i l l sw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y a ni m p r o v e dm e t h o dh a v eb e e ng a i n e db ya m e l i o r a t et r a d i t i o n a ls o l - g e l p r o c e s s ，i e ，0 - 3m i x i n gm e t h o d ，w h i c hi st op r e p a r ep z t f e r r o e l e c t r i cm e m b r a n e o na u t i s i 0 2 s is u b s t r a t e s i nt h i s p r o c e s s e s ，z e r o d i m e n s i o n a l p z t n a n o p o w d e rw a sf i r s t l ym i x e d 、析mt h r e e - d i m e n s i o n a lp z tp r e c u r s o r ys o l u t i o n 1 1 1 e nt h et m i f o ma n ds t a b l es l u r r yw a sf o r m e do na u c r s i 0 2 s is u b s t r a t e sb ya s p i n n i n gt e c h n i q u e i ft h ef i l m sw e r ef a b r i c a t e db ys l u r r yd i r e c t l y ，t h es u r f a c e s w i l la p p e a r e dr o u g h l y ，a n di ti sd i s a d v a n t a g et ot h em e m sd e v i c ef a b r i c a t i n g s o w ep r e s e n t e dam e t h o dt h a tp z ts o l - g e la n dt h es l u r r ym i x e dp z tp o w d e rw e r e c o a t e do nt h em e m b r a n e a l t e r n a t e l y ，a n dp o l yv i n y l p y r r o l i d i n e w a s s i m u l t a n e o u s l ya d d e d t h et h j c k n e s so ft h em e m b r a n ew a su pt o4 p ma n dn o c r a c k l ew a sf o u n di ni t ss u r f a c e t h et h i c k n e s sc o u l db ei n c r e a s e db yt h e r e p e t i t i o u sp r o c e s s ，w h i c ho v e r c o m e st h el i m i to fm e m b r a n et h i c k n e s sa n d e n h a n c et h eq u a l i t yo ft h es u r f a c e 哈尔滨t 稗大学博十学位论文 t h er e l a t i o n s h i p so fd i e l e c t r i c ，f e r r o e l e c t r i ca n d p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s b e t w e e nt h et h i c k n e s s e so ff i l m sw e r eg i v e nb yp r o c e s ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a x i m a l p i e z o e l e c t r i cc o n s t a n td 3 3o ft h ef i l m sw a s2 0 1p c nt h a to b t a i n e db y t h ec a n t i l e v e rb e a ml o a dm e t h o d ，t h em a x i m a lv o l u m ed e n s i t yw a sa 31 罾c 武 t e s t e db yb u o y a n c ym e t h o d ，a n dt h em a x i m a ld i e l e c t r i cc o n s t a n tw a s8 0 8 t h e r e m a n e n tp o l a r i z a t i o np ra n dt h ec o e r c i v ef i e l de co fp z tt h i c kf i l m sw e r eu pt o 6 0 t t c c m 2a n d2 3 k v c ma t2 5 vr e s p e c t i v e l y n ea b o v er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h es i l i c o n b a s e dp z tt h i c k f i l m sh a v eb e e np r o v i d e d 谢t 1 1p i e z o e l e c t r i c ， f e r r o e l e c t f i ca n dd i e l e c t r i cc a p a c i t i e sp r o p e r t yw e l l 乃ee x p r e s s i o no ft h er e s o n a n c e 丘e q u e n c ya n dd e f l e c t i o n d i s p l a c e m e n t m i c r o - c a n t i l e v e rw e r ed e d u c e ds y s t e m a t i c a l l ya c c o r d i n gp i e z o e l e c t r i c i t ye q u a t i o n t h es o f t w a r ei n t e l l i s u i t ew a su s e dt oo p t i m i z et h ed r i v i n gs t r u c t u r eo ft h e s i l i c o n b a s e dp z tt h i c kf i l m s t h ef a c t o r si n f l u e n c e do nt h ed i s p l a c e m e n ta n d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a n t i l e v e r ，s u c ha st h et h i c k n e s s e so fp z tf i l m s a n ds i l i c o nf i l m s ，l e n g t ho fc a n t i l e v e r ，i n p u tv o l t a g ea n ds oo n , w e r ea l s oa n a l y z e d i no r d e rt od e t e r m i n et h eo p t i m a ls t r u c t u r e so fc a n t i l e v e r 1 1 l es t r u c t u r ep a r a m e t e r s o fs i m u l a t i o np r o v i d e di m p o r t a n tf u n c t i o no nt h em i c r o a c t u a t o r sf a b r i c a t i n g t h en e ws t r u c t u r eo fp z tp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rw a sf a b r i c a t e db ya l l i m p r o v e ds o l - g e lm e t h o da n dt h em e m st e c h n i q u ei n c l u d i n gt h e r m a lo x i d a t i o n , o p t i c a ll i t h o g r a p h ya n dh y d r o - e t c h i n g t h u st h ep r o b l e mo fc o m p a t i b i l i t yb e t w e e n p i e z o e l e c t r i ct h i c kf i l m sd r i v i n ga n dm e m sp r o c e s s e sw a sr e s o l v e d i na d d i t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp z tp i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rw e r et e s t e d t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nd y n a m i cd e f l e c t i o n d i s p l a c e m e n t a n dr e s o n a n c e f r e q u e n c i e sw e r em e a s u r e db yn o n - t o u c ho p t i c a lm e t h o d s ，a n dr e s o n a n tf r e q u e n c y o fp z t p i e z o e l e c t r i cc a n t i l e v e rw a sa l s od e t e r m i n e d k e yw o r d s ：m e m s ；s o l - g e l ：p z tp i e z o e l e c t r i ct h i c kf i l m ；c a n t i l e v e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：f 亏徊 日期：矽9 年月修日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 五l 幻栖 日期：汕罗年，月膨e t 导师( 签字) ：抛 炒7 年，月日 第1 章绪论 i 宣i i i i i i i | 置宣皇i i i i | i i i i 宣i iit i i i i i i i i i i i i i i i i i i i | 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微 型机电系统( m e m s ) 的研究得到了迅猛的发展。m e m s 是 m i c r o e l e c t r i c m e c h a n i c a l s y s t e m 的缩写，通常指的是特征尺度大于l l a m 小于 1 0 0 0 j a m ，结合了电子和机械部件并用i c 集成工艺加工的装置，也称为微机 械( m i e r o m a c h i n i n g ) 。其研究涉及的内容从最初的微型压力、微型加速度等传 感器，微泵、微马达等执行器，微镜、光开关等光电器件，以及随后出现的 微分析仪、微冷却器、微流体系统等简单系统，目前，正向着集成光、电、 磁、机械等敏感元件、执行元件，及信号处理电路、接口电路的复杂的智能 化微系统方向发展【啦】。 m e m s 系统主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。作 为输入信号的自然界各种信息首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理 后( 包括模拟数字信号间的变换) ，再通过微执行器对外部世界发生作用。 传感器可以实现能量的转化，从而将加速度、热等现实世界的信号转换为系 统可以处理的电信号。执行器则根据信号处理电路发出的指令自动完成人们 所需要的操作。信号处理部分则可以进行信号转换、放大和计算等处理。这 一系统还能够以光、电等形式与外界进行通信，并输出信号以供显示或与其 它系统协同工作，构成一个更大的系统。图1 1 给出了一个典型的m e m s 系 统与外部世界的相互作用示意刚3 1 。 m e m s 具有微型化、集成化、批量生产、方便扩展、多学科交叉等特点。 m e m s 的发展是在1 9 4 7 年以晶体管的发明为代表的微电子技术和7 0 年代硅 的各向同性、各向异性腐蚀技术发展下产生的，随着体硅微机械加工技术和 牺牲层技术被引入微加工，人们已经成功地采用了微机械加工技术来制造一 些硅基传感器。19 8 7 年，u c b e r k e l e y 大学华裔留美学生冯龙生等人利用微 l 哈尔滨丁稃大学博十学位论文 机械加工技术制作出了世界上第一个微静电马达，直径不到一个毫米，在国 际学术界引起轰动，同时也标志着m e m s 技术的诞生。1 9 8 7 1 9 8 8 年，召开 了一系列关于微机械和微动力学的学术会议，m e m s 作为一个学科得到了普 遍认可。在这以后的1 0 多年中，以硅材料的体硅和表面硅加工技术为代表的 m e m s 技术得到了迅速的发展。 i 光 b l 运动 传 模拟信数字信模拟信 _ 执 号处理号处理号处理 一信息i l 力 卜+ 感 行 声 卜 器 土上上 器 _ 叫能量 l 温度 _ 通信接u 单元 i其它卜一其它 光、电、磁 图1 1m e m s 系统与外部世界的相互作用示意图 f i g 1 1a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo fi n t e r a c t i n gm e m sa n de x t e f i o r 进入2 l 世纪，美国、德国和日本等先进工业国家都把m e m s 技术作为 本世纪最具发展潜力的新兴产业之一，欧洲、日本和远东地区的国家、地区 和州政府均为m e m s 的制造商和学术组织提供项目和研发资金，大部分资金 流向国家大型学术实验室。世界大公司都加紧了对m e m s 产品开发的步伐， 微型大压力传感器己经在2 0 世纪7 0 年代进入市场，现在的年产值已经达到 了十几亿美元，其代表公司主要有欧姆龙、摩托罗拉等。 我国非常重视m e m s 技术的研究和发展工作，而且起步较早。1 0 多年来 研究队伍不断壮大，目前己经有4 0 多个单位从事m e m s 技术的研究。目前， 国内在m e m s 器件的理论研究方面与国外的差距不大，个别领域与国外的水 平相当，但是，在产业化方面，还不具备大规模批量生产的能力。国内的大部 分研究工作还是停留在分立器件的研究阶段，尚未达到系统化开发，另外，由 2 于国内的微加工设备相对比较落后，在一定程度上制约了m e m s 技术的发展。 1 2 悬臂梁的研究及发展现状 m e m s 器件主要分为两类：传感器和执行驱动器。m e m s 传感器或微传感 器，通常依靠集成微加工的方法实现某种机械结构，对特定的物理或化学变 量产生响应。通过电和光效应等一系列物理检测方法可以观察到这种响应。 这些结构和器件被设计成对电阻变化( 压阻效应) 、电容变化和电荷变化( 压电 效应1 是敏感的，响应的幅度与所感受的信号成比例。m e m s 执行器通常是基 于静电、压电、磁、热和气动力设计的，用于执行某些动作、完成一定的操 作功能，一般来说都具有活动部件。 在m e m s 器件中，悬臂梁是较常用的结构，作为高灵敏度的m e m s 器 件，悬臂梁结构已经广泛应用于传感器和执行器中。 1 2 1 悬臂梁在传感器件中的应用研究及发展现状 悬臂梁可以用于加速度传感器【4 】、生化传感器i ”、射频r f 电路发射器开 关6 肄。1 9 9 8 年，d l p o l l a 小组设计的压电悬臂梁加速度计”，如图1 2 所 示。这种加速度的工作原理是将压电陶瓷薄膜涂在悬臂梁上，当悬臂梁振动 时，压电薄膜的两端因受惯性力的作用而作上下弯曲变形，产生与振动量相 对应的电荷量。通过检测加速度计输出的电荷量，便可得知物体的加速度。 i ，- ，。麓 哈尔滨t 挥大学博十学俯论文 压电悬臂梁作为应力传感器在s f m 中的应用得到了迅速发展。c l e e 等 最近报导了一种兼有自传感和驱动能力、智能型的压电悬臂梁【8 l 。利用正压 电效应实现应力传感，通过逆压电效应施加交流电压使悬臂梁振动，并叠加 一直流电压驱动悬臂梁产生z 方向的位移。当用p z t 悬臂梁扫描样品时，动 态导纳随悬臂梁的振幅而变化，将导纳的变化作为反馈信号输入控制系统， 控制系统加偏压调整悬臂梁和样品之间的距离。因此样品表面形貌通过动态 导纳输出的变化而被记录。 悬臂梁还可以将纳米量级的物理变化或化学反应的结果转换成电学信号 记录下来，这些物理或化学变化包括表面应力变化、热转换、质量变化等。 近年来，悬臂梁的测量对象和应用范围不断增多，其测量对象增加到温度、 热能、磁场、质量、液体密度和粘度等物理量，具有纳米级分辨率和灵敏度。 应用范围扩大到包括化学分析、生物检验、医药筛选、环境监测、气味( 如香 精酒类) 鉴定、d n a 检测等。图1 3 给出了一些测量对象的实例。1 9 8 6 年， 悬臂梁开始用作原子力显微镜( a f m ) 的探针，作为检测探针与样品之间原子 级作用力的传感组件，如图1 3 ( a ) 【9 】。将一层金属溅射到悬臂梁的- n ，利 用双金属效应来探测环境的温度，可以测量到大约1 0 肚的温度变化或n j 级 的微分析物的吸放热量，形成微卡路里计，如图1 3 ( b ) t 。利用悬臂梁的共 振频率与液体阻尼等的关系，通过测量悬臂梁共振频率的变化，可以检测液 体的粘度，如图1 3 ( c ) 1 1 1 。利用其共振频率与悬臂梁质量的关系可以做成质 量传感器，如图1 3 ( d ) 1 1 2 】，精度可以达到p g 量级。在双层悬臂梁的表面涂上 一层化学高分子物质，如烷基硫醇，可做应力传感器，如图1 3 ( e ) t 1 3 】，测量 化学物质微应力，可以测得悬臂梁的弯曲度随着烷基硫醇的链长增加而增加。 利用此原理对悬臂梁阵列进行化学修饰，可以做成测量混合气体的传感器阵 列，如环境监测传感器；检测悬臂梁的弯曲，还可用于测量电荷、磁场等如 图1 3 ( f ) t 1 4 1 。 4 图i 3 悬臂粱传感器 ( a a f m 探针，b 温度传感器，c 粘度传感器，d 质量传感器，e 虑力传感器，f 磁力传感器) f i g l jm i c r o _ c a n t i l e v e r n s o r ( aa f mp r o b e ，bt e m p e r a t u r es e n s o r , cv i s c o s i t ys e l 【l s o r ，dm a s ss e n s o r , es t r e s ss e n s o r , f m a g n e t i cs e n s o r ) 根据不同的应用，可以使用多种材料加工悬臂粱，如单晶硅、多晶硅、 s i 0 2 等i l ”。在实际设计和加工中一般都采用多层复合结构，比如采用单晶硅 作为梁体结构时，作为保护一般在粱的表面氧化一层s i 0 2 ；如果要作为反射 光束用的微镜面，还要溅射一层a l 或其它金属作为反射面。 1 2 2 悬臂梁在微执行器件中的研究 悬臂梁结构还可以应用在微执行器中，包括微泵、微阀等微流体器件； 光开关、微镜等微光电器件：微麦克风、微扬声器等声学器件等。 微驱动技术是微执行器制作的关键，因此，该领域的研究一直倍受业界 人士普遍关注”i 。微驱动技术就是将电能直接或间接转换为机械能或其它 形式的能，使微执行器的可动部件位移( 平动、转动) 、振动，从而完成特定 动作或实现控制功能。 1 , 2 2 1 悬臂粱的驱动方式 目前，使悬臂梁产生振动或弯曲的驱动方法主要有：热驱动、声波驱动、 磁致驱动、静电驱动、静磁驱动、形状记忆台金驱动、压电驱动。 l 、热驱动包括电热驱动和光热驱动它们在方法上有很大差别，但驱动原 理是一样的，都是通过热的扩散在产生热应力导致谐振粱变形和振动。图1 4 誉冷妻巢妻麓 哈尔滨1 程大学博士学位论文 是斯伦贝格工业公司研制的另外一种空问用光学微机械压力传感器结构示意 图【i ，激光脉冲通过光纤耦合照射到悬臂粱上，悬臂粱的表面激光柬的能量 被部分吸收产生与调制光脉冲频率相同的交变的热应力，在这个热应力作用 下作受迫振动。光热激励仅适用于真空或空气环境中，应用于液体中时主要 缺点是，由于液体的反射、折射作用，以及一部分光能被液体吸收，因此聚 集到悬臂梁上的能量就相对减少。 图14 微机械压力传感器结构示意圈及谐振粱扫描电镜照片 f i g14s t r u c t u r eo f m i c r om e c h a n i c a lp i r e g g u l o $ e t l s o ta n ds e m 2 、声波驱动是用一个小型扬声器产生声波，声波通过空气传播到悬臂粱， 在悬臂梁上造成压力差，迫使悬臂梁振动，这种激励方法尤其适用于薄悬臂梁。 液体环境中液体的流动会造成声波共振，对悬臂粱的检测会产生一定影响【1 9 1 。 3 、磁致驱动是利用螺线管产生外部磁场，并直接激励悬臂梁振动1 2 0 , 2 ”。磁 驱动的缺点是要求悬臂梁上要制备磁性薄膜，平面加工制作磁感应线圈占用芯片 面积大，难于微小型化，效率较低。另外，磁性材料工艺与m e m s 技术兼容性 差。另外磁激励仪器结构复杂，成本较高，而且磁驱动会在一定范围内产生丁扰 振幅信号，同时磁铁对样品容易造成污染，电磁还会造成液体生热。 4 、静电驱动是利用电极间的静电力进行工作的l 功。微镜是采用静电驱动最 多的执行器件。b m ia n dd a s m i t h 等人研制的静电驱动微刮卸，采用表面微 第1 章绪论 机械加工技术和多层多晶硅淀积i c 工艺制作，和m e m s 技术完全兼容。静电驱 动m e m s 执行器出现的最早，技术成熟，具有结构简单，响应快，精度高，易 于小型化等优点，与m e m s 技术完全兼容。但是，静电驱动存在驱动力小，驱 动电压高等问题。 5 、形状记忆合金( s m a , s h a p em e m o r ya l l o y ) 驱动本质上也是一种热驱动方 式，是利用合金的相变( 热弹性马氏体相麴进行能量转换。s m a 在低温( 室温) 下 发生形变，高温时具有恢复其原高温形状的性能。近年来，s m a 驱动技术受到 m e m s 领域的关注，薄膜式s m a 驱动机构更适合微执行器。日本北海大学的 e i j im a k i n o 等人对t i n i 形状记忆合金薄膜的性能脚5 1 ，及在m e m s 中的应用进 行了研究，初步研制了1 悄鹕i 双膜片结构微泵；国内上海交大的徐东等人，也 研制了t i n i s i 双膜片s m a 微泵 2 6 1 。2 0 0 0 年k o h l 等发表了形状记忆合金微夹钳 1 2 7 1 ，其外形尺寸为2 x 3 9 x 0 1 砌n 3 ，最大位移18 0 9 i n ，实现对微小物体的自如操 作。s m a 微执行器可以产生毫牛顿或更大的力，位移量也大，工作电压是5 v 或 1 2 v ，可使用和控制电路相同的电源，以简化系统。同时，s m a 薄膜式驱动机构 与m e m s 的兼容性好。s m a 最主要的缺点还是涉及热传递过程，有响应速度慢， 工作频率低的问题。 6 、压电驱动利用正压电效应和逆压电效应来实现驱动的。压电驱动是最早 被用于m e m s 领域的驱动方式，是目前最常使用的激励悬臂梁振动的方法，特 别是在微阀、微泵等要求有较大驱动力的微流体控制器件中尤为突t 白r 2 s j 。压电驱 动是电能直接转换为机械能，具有易于控制、响应快的特点，悬臂梁的振动幅度 较大，在这一点上压电驱动优于其它驱动方式；另外，压电驱动的输入输出是线 性关系，这是其它驱动方式都不具有的特点。因此，近年来对压电薄膜制备及 m e m s 技术兼容性方面成为研究的热点。 压电悬臂梁是指在悬臂梁的表面利用微加工技术制备了一层压电薄膜。利用 压电薄膜的压电效应，通过对压电薄膜施加交流电压激励悬臂梁振动；当悬臂梁 7 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 振动时，在压电薄膜表面产生电荷。其最下层一般是以s i 、s i 0 2 等为主要材料的 悬臂梁，上面一层为压电薄膜，一般压电层上下还有两层金属电极层。 利用压电薄膜的逆压电效应可以驱动悬臂梁振动，利用正压效应可以检测悬 臂梁的响应。由于材料的压电特性通过正压电效应可以检测微小的应力，又 可以通过逆压电效应使悬臂梁产生振动，同时应变对于所加电压的响应非常快 ( 低十儿个纳秒) ，因此硅基微机械结构和压电薄膜相结合的悬臂梁成为近年的 研究热点。 1 2 2 2 压电悬臂梁在执行器中的应用研究与发展 执行器主要包括微机电器件、微流体器件、光机电器件、微声学器件等换能 器件。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。 1 微机电器件 近几年研究的微机电领域执行器件中主要有：微夹钳、微机器手、微飞行器 用振翅驱动器等。 2 0 0 2 年，上海交大的陈海药等人研制的双悬臂梁结构的微夹钳，如图1 5 所 示网。微夹钳是用梯度功能压电体制作的，整体梯度功能悬臂梁尺寸为1 5 x 2 x 2 r a m 3 ，质量为1 2 0 m g 。利用压电体的横向逆压电效应，加载电压时，梯度功能 压电体伸长而硅基片尺寸不变，梯度功能悬臂梁弯曲，夹钳央紧。 梯度功能悬臂粱 s i - - _ - - 。- _ 一一：_ _ - - _ _ _ - - ：- - - - - - ：一t - - _ 。：二- 一- - - ：i _ - - _ ( 1 黪精劐 t _ - j - - - 一f f - - _ f 一一一f f f _ - 一f 一f ? 一_ 。f f - - ? i s i ， 芒 目j 坐 图1 5 压电微夹钳 f i g1 5s t r u c t 山eo ft h ep i e z o e l e c t r i c i t ym i c r o g i p p e r 8 第1 章绪论 图1 6 是m s i t t i 研制的用于微飞行昆虫的振翅压电驱动器【3 0 1 ，该驱动器 为p z t p z n p t s t e e l 折叠结构，是利用压电体的横向逆压电效应使振翅振动。 图1 6 振翅压电驱动器 f i g 1 6p i e z o e l e c t r i cw i n gm e c h a n i s m 2 作为微流体器件 应用于微流体控制领域的压电执行器件主要有微泵、微阀、微喷等。图 1 7 给出了一种悬臂梁结构的微型阀，这种结构广泛应用在微机械系统中，常 常用在微泵中作为单向截至阀使用【3 l 】。2 0 0 3 年，阙君武等人研制的压电微泵 如图1 8 所示【3 2 1 。它p a e , e g 薄( 厚) 膜和弹性基片构成的压电振子作为驱动元 件。压电薄( 厚) 膜被淀积在在弹性膜片上构成压电元件。 p 图1 7 悬臂梁微阀 f i g 1 7c a n t i l e v e rm i c r o v a l v e 9 哈尔滨丁程大学博十学位论文 泵体槲 i 仰l e c t r o d - 、ui 【ii ，h v l 一 i、_ - ( - ，压电碍顺泶0 ) p z t 压电厚腆象 图1 8 压电微泵 f i g 1 8p i e z o e l e c t r i c i t ym i c r o p u m p 3 作为微光机电器件 悬臂梁结构还可以用在微镜3 3 1 、光开关等微光机电领域。2 0 0 7 年， 西安电子科技大学娄利飞等人研制了基于压电薄膜逆压电效应的新型集成 微镜3 5 1 。采用锆钛酸铅( p z t ) 压电薄膜悬臂梁作为驱动机理的 5 0 0 p m x 5 0 0 p m 微镜结构。该微镜主要由4 个悬臂梁与1 个反射镜组成，4 个悬臂梁起支撑微镜的作用，即微镜主要利用微悬臂梁自由端头的小挠度 来实现垂直方向的位移。 4 作为微声学器件 微声学器件如微麦克风、扬声器、耳机等。因其灵敏度高、体积小、 成本低、易于集成等特点，被广泛应用于手提电话、助听器、声学测量等 领域。基于压电原理的微传声器与电容微传声器相比，无相对运动电极， 具有独特的优势。2 0 0 7 年，清华大学方华军等人设计出硅基压电悬臂梁式 微麦克风【3 6 1 ，采用m e m s 技术制作的微麦克风，由于结构纤小，减少了 结构刚性，极大地提高了器件灵敏度。 目前，压电悬臂梁用于m e m s 的微执行器主要需解决的问题有：一是 较大的驱动力和位移问题：二是与m e m s 技术的兼容性问题。同时还应满 足有微型化、响应速度快、工艺简单、易于集成化等要求。 1 0 第1 章绪论 i ii 1 3 压电薄膜的概述 在m e m s 器件中，压电薄膜材料是较常用功能薄膜材料之一。压电薄 膜材料包括以p z t 为代表的压电陶瓷薄膜材料、以z n o 为代表的半导体 压电薄膜材料以及以聚氟乙烯p v d f 为代表的压电聚合物薄膜材料。 p z t 即锆钛酸铅，其化学式为p b z r x t i l x 0 3 ，a b 0 3 型钙钛矿结构的 二元系固溶体。具有较好的压电性、铁电性、热释电性以及电光和非线性 光子特性。在现有的压电薄膜中，比较满意和正在使用的是钛酸盐系列压 电薄膜，其中最常用的就是p z t ，p z t 薄膜的各项指标都很好，适用于微 电子学、光电子学、集成光学以及m e m s 领域，是目前应用最为广泛的压 电薄膜材料。 z n o 氧化锌是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带氧化物半导体材料， 有优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性且原料廉价易得。在1 9 6 6 年采 用蒸发法成功制备z n o 压电薄膜后，得到广泛研究。常被用来制作传感器 的敏感元件。z n o 薄膜成膜均一性好、压电性稳定、价格低廉、无毒、无 污染。z n o 也可以用于超高频超声波发生于接受换能器，并能用于物质特 性的研究、声光器件、通讯和信息处理以及超声显微镜等，具有带频宽、 电声转换效率好与激励电路容易匹配等优点。同时既具有压电特性又具有 半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作 电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电 传感器测试系统【3 7 1 。 p v d f ( - c h 2 c f 2 ) 是1 9 6 9 年日本的h k a w a i 报道了将聚偏二氟乙烯 ( p v d f ) 应用于工业。p v d f 最有极性的高分子聚合物之一，在高直流电场 中极化( 温度在8 0 1 5 0 ) ，将获得压电性能，具有低的声阻抗和介电常 数，柔软性好，可弯曲、耐击穿、压电常数较高以及可裁减成任意形状等 优点，它可以有效地用作声接受器，同时与水匹配好，特别适合用于水听 l l 哈尔滨t 稃大学博十学位论文 器以及医学超生诊断声场测试用的换能器。其缺点是信噪比尚不理想，机 电耦合系数还不够大，而且机械和介电损耗比较大，不适合用于大输入和 连续工作，在8 0 以上长时间工作，其压电效果减少。由于图形化加工比 较复杂，很难与微加工工艺兼容，在m e m s 中较少应用【3 引。 表1 1 是常用在压电微型换能器上的压电材料的主要性能对比【3 9 1 。从 表中可以看出p z t 的压电性优于z n o 和p v d f ，压电系数比z n o 和p v d f 高一个数量级，相对介电常数大两个数量级，其中，p z t 薄膜具有较高的 压电性能受到研究者的亲睐，因此，在执行驱动器领域，p z t 压电薄膜具 有明显的优势。但是，如果压电薄膜太薄，驱动力有限，不适合作为要求驱 动力较大的微执行器件，如微泵、微阀、微镜等元件。因此，提高压电薄膜 的厚度在m e m s 器件中成为一个研究热点【4 们。 表1 1 常用压电材料的电学特性 压电系数压电系数 晶体结构相对介电常数 d 3 3 ( p c n )d 3 1 ( p c n ) z n o块 1 2