铌掺杂锆钛酸铅薄膜驱动的压电MEMS悬臂梁研究

发布时间：2017-07-19 20:21

  本文关键词：铌掺杂锆钛酸铅薄膜驱动的压电MEMS悬臂梁研究

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【摘要】：压电式微悬臂梁是一种基于微机电系统(MEMS)技术,在硅片上制成的一端固定另外一端可以垂直于基底运动的微机械结构,复杂的MEMS传感器和驱动器中具有重要的应用价值。本课题研究了一种利用LaNiO3(LNO)为下电极制备的Nb0.o2-Pb(Zro.6Tio.4)03(PNZT)薄膜驱动的压电式MEMS悬臂梁,相比传统的Pt下电极制备的PZT压电薄膜具有更好的机电性能。 首先利用压电理论对压电式MEMS悬臂梁进行了动力学分析,并通过计算机有限元分析方法对压电式MEMS悬臂梁进行了性能仿真分析,得到了压电悬臂梁的结构参数与性能之间的关系。然后,分别采用了磁控溅射法和溶胶.凝胶法制备了LNO薄膜下电极和PNZT压电薄膜。电学测试结果表明,LNO薄膜电阻率约为2mΩ·cm,导电性良好,适合作为电极材料。X射线衍射(XRD)表征结果显示PNZT薄膜呈钙钛矿相结构,扫描电子显微镜(SEM)观察结果表明PNZT薄膜表面平整、致密无裂纹,厚度约为1.31μm。铁电性能测试结果显示,PNZT/LNO薄膜剩余极化强度约为16.55μC·cm-2,平均矫顽电压大小为4.7V,疲劳测试表明薄膜具有良好的疲劳强度。因此,本课题制备的PNZT/LNO薄膜符合制作压电式MEMS悬臂梁的要求。进而,设计了压电式MEMS悬臂梁的制作工艺,并采用溅射、光刻、刻蚀等MEMS微加工工艺与PNZT的溶胶.凝胶制备工艺相结合,对压电式MEMS悬臂梁进行了加工制作,研究了PNZT/LNO薄膜的图形化技术,并最终采用深硅刻蚀实现对悬臂梁结构的释放,完成压电式MEMS悬臂梁的制作。最后,利用激光多普勒测振技术对制备的压电式MEMS悬臂梁进行了振动模态分析,得到了不同尺寸的压电式MEMS悬臂梁的振动频谱曲线和不同模态下的模态振型图,并对其机械品质因子与结构参数之间的关系进行了分析。
【关键词】：微机电系统 压电式 悬臂梁 铌掺杂锆钛酸铅 镍酸镧
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH-39
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-16
• 1.1 MEMS概述7-10
• 1.1.1 MEMS概念7
• 1.1.2 MEMS的特点7-8
• 1.1.3 MEMS的应用和发展8-9
• 1.1.4 MEMS加工技术和工艺9-10
• 1.2 压电材料简介10-12
• 1.2.1 压电材料工作原理10
• 1.2.2 锆钛酸铅简介10-11
• 1.2.3 镍酸镧电极薄膜11-12
• 1.3 用于MEMS的压电薄膜国内外发展状况12-14
• 1.3.1 ZnO12
• 1.3.2 AlN12-13
• 1.3.3 PZT13-14
• 1.3.4 铌掺杂PZT薄膜(PNZT)14
• 1.4 本论文研究目的及意义14
• 1.5 本论文主要研究内容14-16
• 2 压电式MEMS悬臂梁理论分析与优化16-31
• 2.1 PNZT压电薄膜微悬臂梁的结构设计16
• 2.2 压电式MEMS悬臂梁的工作原理16-17
• 2.3 压电方程17-20
• 2.4 压电悬臂梁动力学分析20-22
• 2.5 压电悬臂梁谐振分析22-23
• 2.6 压电MEMS悬臂梁的有限元优化分析23-30
• 2.6.1 压电式MEMS悬臂梁有限元模型的建立23-25
• 2.6.2 压电式MEMS悬臂梁的有限元静态分析25-29
• 2.6.3 压电式MEMS悬臂梁的有限元模态分析29-30
• 2.7 本章小结30-31
• 3 LNO电极和PNZT压电薄膜的的制备、表征和性能测试31-40
• 3.1 LNO电极的制备、表征和性能测试31-33
• 3.1.1 磁控溅射装置及其工作原理31-32
• 3.1.2 LNO薄膜的制备工艺流程和参数32-33
• 3.2 PNZT薄膜的制备、表征和性能测试33-39
• 3.2.1 PNZT薄膜的制备33-36
• 3.2.2 PNZT薄膜的表征和性能测试36-39
• 3.3 本章小结39-40
• 4 压电式MEMS悬臂梁的制作工艺研究40-47
• 4.1 压电式MEMS悬臂梁的工艺流程设计40-41
• 4.2 MEMS制作技术和工艺简介41-43
• 4.2.1 光刻技术41
• 4.2.2 刻蚀技术41-43
• 4.3 压电式MEMS悬臂梁的制作工艺43
• 4.3.1 LNO下电极薄膜的制备43
• 4.3.2 PNZT压电薄膜的制备43
• 4.4 Pt上电极的制备43-44
• 4.5 PNZT和LNO薄膜的图形化44-45
• 4.6 深硅刻蚀工艺45-46
• 4.7 本章小结46-47
• 5 压电式MEMS悬臂梁的振动模态分析47-53
• 5.1 压电式MEMS悬臂梁的振动模态测试原理及方法47-48
• 5.2 压电式MEMS悬臂梁的振动模态测试48-52
• 5.3 本章小结52-53
• 6 结论53-55
• 参考文献55-59
• 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文59-60
• 致谢60

【参考文献】

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本文编号：564727