用于mems的pzt压电厚膜及硅基压电悬臂梁的制备研究

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1、用于MEMS的PZT压电厚膜及砗基压电悬臂粱的制备研究摘要新型、高性能MEMS器件对所用材料的结构和性能有很高要求。PZT压电薄膜以其优异的介电、铁电和压电性能，成为MEMS应用的研究热点。本文利用改进的溶胶．凝胶技术在Au／Cr／Si02／Si基片上制各了不同厚度的PZT压电薄膜，得到了大于4pm的PZT厚膜，并以硅基PZT厚膜采用半导体微细加工工艺制备了PZT压电方式驱动悬臂梁；系统地研究了PZT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PZT压电多层薄膜的制备工艺、

2、压电悬臂梁的优化设计以及PZT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PZT厚膜的制备工艺，在传统S01．Gel法基础上提出一种改进0．3复合法，即先将0维的PZT超细粉末混合到的PZT前驱液中，形成均匀、稳定的浆料，在Au／Cr／Si02／Si衬底上制备了PZT压电厚膜。直接利用O．3复合法所获得PZT浆料进行成膜，薄膜的表面粗糙，不利于在MEMS器件中使用，因此提出采用PZT溶胶与在PZT溶胶中加入PZT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(PVP)抑制薄膜开裂，

3、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PZT厚膜的厚度。采用此法制备的PZT厚膜，突破了PZT厚度的限制，并且重复性好、使PZT厚膜表面质量得到改善。通过硅基PZT压电多层薄膜的制备工艺系统实验研究，得到了PZT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PZT厚膜(4岬)的最大压电特性常数d33为201pC／N；采用浮力法测量得至tJPZT厚膜的体积密度为4．319／cm3；PZT厚膜的最大介电常数为808，在25V电压下，PZT厚膜的剩余极化强度Pr为60I．tC／c

4、m2，矫顽场Ec为23kV／cm。测试结果表明：在Au／Cr／Si02／Si结构上PZT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PZT悬臂梁弯曲位移的表达式，同时利用Intellisuite软件对硅基PZT压电悬臂梁结构进行了优化设计。分析了PZT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PZT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PZT压电悬臂梁频率特性，优化了PZT压电悬臂梁结构。模拟得到的优化结构参数为硅基PZT压电薄膜悬臂梁结构在MEMS微执行器中的应用提

5、供了有价值的参考依据。采用氧化、光刻、刻蚀等MEMS技术和改进的S01．Gel工艺制备了硅基PZT压电薄膜悬臂梁结构。实现了PZT薄膜的制备技术与MEMS技术的兼容问题。最后对硅基PZT压电悬臂梁进行特性测试，利用非接触光技术测量了硅基PZT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PZT压电悬臂梁的谐振频率。关键词：MEMS；溶胶．凝胶；PZT压电厚膜；悬臂梁用于MEMS的PZT压电厚膜及硅基压电恳臂梁的制务研究宣iiiiiiiiii宣iiiiiiiia⋯⋯．11iABSTRA

6、CTThematerialsthatthenewandadvantageperformanceMEMSdevicesconstituterequirehi曲reliability、)vitllthestructuresandproperties．ThatisreasonwhythepiezoelectricPZTthinfillshavepaidmuchmoreattentionsinMEMSapplicationsisthoseexcellentpropertiesfortheirdielectric，ferro

7、electricandpiezoelectric．Inthisthesis，thepiezoelectricPZTthickfills谢tlldifferentthicknesseswerepreparedonAu／Cr／Si02／Sisubstratesbyasol—geltechniqueandthemaxthicknessobtainedisabout4lain．Thesiliconmicro-cantileversbasedonthePZ飞

8、入、l}Cr／Si02／Simultilayerstructure

9、swerefabricatedthroughsemiconductormin-machiningprocess．ThecantileversfabricatedprocessingandmicrostructuresofthePZTthickfillswereinvestigatedsystematically，andtheirrelationshipsbe