基于d 33 模式的压电微加速度计的研究
发布时间：2021-11-28 13:19
压电微加速度计因其突出的动态性能与响应速度成为国内外研究人员关注的热点课题,经过近四十年的研究,使其无论在器件的结构、微加工工艺还是功能材料的制备等方面都取得了许多突破性进展。本文主要是针对当前压电微加速度计在测量灵敏度方面还存在一定的提高空间,但又受制于PZT压电薄膜厚度难以达到设计要求的问题,提出了一种基于d33模式的压电微加速度计。通过全新的结构设计,使得压电薄膜的极化与形变方向均为水平方向,减小压电薄膜的厚度对压电微加速度计灵敏度的影响,进而输出较大的电压信号。在提高压电微加速度计的电压灵敏度的同时保证其固有频率基本不受影响,增加了压电微加速度计的实用性。本文的主要内容及创新点包括以下几个方面:1、分析和比较了两种不同的压电换能模式之间的区别,分析得出采用d33模式的优越性。2、通过理论分析和有限元仿真得出了压电微加速度计的特征尺寸对压电加速度计性能的影响,确定了压电加速度计的结构参数。3、通过对d33模式压电加速度计结构设计的研究,得出了整个器件微加工的工艺流程并依据加工方案,对整个加工流程中的主要工艺步骤进行了探索。4、为了进一步提高压电微加速度计的实用性,提出并设计了一种...
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１压电效应??
正是基于ＺｎＯ薄膜材料的压电效应而研制的。??通过湿法体硅微加工工艺，运用各向异性腐蚀的方法在体硅基体上腐蚀出一??个Ｖ形槽释放悬臂梁，悬臂梁上通过溉射法沉积ＺｎＯ薄膜，如图２所示。加速??度计的设计量程为±１０００ｇ，灵敏度为０．０４７ｍＶ／ｇ，且在０－５０ｇ的范围内，加速度??计的非线性度仅为０．２％。??５５；－１＇??■?圓??图２?Ｖ型槽加速度计??１９８２年，罗克韦尔国际科学中心的Ｍｏｔａｍｅｄｉ等人［５］第一次通过数学建模的??方法推导得到了悬臂梁式加速度计的输出电压、最小谐振频率以及梁上的应力分??布与加速度计结构尺寸之间的关系。Ｍｏｔａｍｅｄｉ等人设计的加速计结构上类似于??６??
梁上沉积了?１．７｜ｉｍ的ＺｎＯ薄膜。??１９９７年加州大学伯克利分校的ＤｅＶｏｅ等人ｔ２１，２２味用完全表面微加工工艺，??研发了以ＺｎＯ薄膜为压电材料的一种单轴压电式微加速度计，如图３所示，力口??速度计的灵敏度为〇．９５ｆＣ／ｇ，谐振频率为３．３ＫＨＺ。其中ＺｎＯ薄膜的厚度为０．５ｐｍ，??通过ＬＰＣＶＤ的方法在体娃基底上沉积了?２．〇ｎｍ厚的憐掺杂多晶娃（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ－??ｄｏｐｅｄ?ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）作为悬臂梁，使用磷娃玻璃（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ?ｇｌａｓｓ）作为牺牲层释??放悬臂梁。使用完全表面微加工可以避免体硅加工中需要双面对准、钝化困难的??工艺难度；同时体硅加工需要考虑腐蚀硅基底而预留较大区域，从而使得芯片面??积相对表面加工较大。??Ｐｔ￣＼?ｊ￣?ＺｎＯ??戶两美ｎ，，?？?１??＾Ｐ－ｄｏｐｅｄ?ｐｏｉｙＳｉ－＾?ｂｕｌｋ?Ｓｉ?ｖ－Ｓｉ〇２／Ｓｔ３Ｎ４?＼??＿???—＾————＿／??图３氧化锌薄膜压电加速度计??２００２年英特尔公司的Ｌｉ－ＰｅｎｇＷａｎｇ等人１２３’２４１使用ＰＺＴ材料研制了一种环形??结构的压电加速度计，如图４所示，使用溶胶凝胶法（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）在环形电极间涂覆??５．６叫１的ＰＺＴ厚膜，并通过内外环形电极将ＰＺＴ材料沿轴向方向极化。相比于??ＺｎＯ材料，ＰＺＴ材料具有更大的压电耦合系数，且压电耦合系数随着薄膜的厚度??增加而增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究[J]. 孙颖奇,李保庆,马剑强,张天磊,褚家如. 压电与声光. 2013(06)
[2]三维压电加速度传感器的设计[J]. 黄朋生,任天令,楼其伟,刘建设,刘理天. 压电与声光. 2003(05)
博士论文
[1]基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D]. 唐刚.上海交通大学 2013
[2]掺杂PZT薄膜的制备及微结构与铁电性能研究[D]. 孙秋.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究[D]. 刘梦伟.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]组分梯度变化PZ-PT-PZN陶瓷的制备及性能研究[D]. 余洪铀.浙江工业大学 2016
[2]压电加速度传感器测量电路的研究与开发[D]. 陶玉贵.安徽大学 2007
[3]压电陶瓷（PZT）特性的分析及实验测试[D]. 刘欣.昆明理工大学 2007
本文编号：3524497
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１压电效应??
正是基于ＺｎＯ薄膜材料的压电效应而研制的。??通过湿法体硅微加工工艺，运用各向异性腐蚀的方法在体硅基体上腐蚀出一??个Ｖ形槽释放悬臂梁，悬臂梁上通过溉射法沉积ＺｎＯ薄膜，如图２所示。加速??度计的设计量程为±１０００ｇ，灵敏度为０．０４７ｍＶ／ｇ，且在０－５０ｇ的范围内，加速度??计的非线性度仅为０．２％。??５５；－１＇??■?圓??图２?Ｖ型槽加速度计??１９８２年，罗克韦尔国际科学中心的Ｍｏｔａｍｅｄｉ等人［５］第一次通过数学建模的??方法推导得到了悬臂梁式加速度计的输出电压、最小谐振频率以及梁上的应力分??布与加速度计结构尺寸之间的关系。Ｍｏｔａｍｅｄｉ等人设计的加速计结构上类似于??６??
梁上沉积了?１．７｜ｉｍ的ＺｎＯ薄膜。??１９９７年加州大学伯克利分校的ＤｅＶｏｅ等人ｔ２１，２２味用完全表面微加工工艺，??研发了以ＺｎＯ薄膜为压电材料的一种单轴压电式微加速度计，如图３所示，力口??速度计的灵敏度为〇．９５ｆＣ／ｇ，谐振频率为３．３ＫＨＺ。其中ＺｎＯ薄膜的厚度为０．５ｐｍ，??通过ＬＰＣＶＤ的方法在体娃基底上沉积了?２．〇ｎｍ厚的憐掺杂多晶娃（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ－??ｄｏｐｅｄ?ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）作为悬臂梁，使用磷娃玻璃（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ?ｇｌａｓｓ）作为牺牲层释??放悬臂梁。使用完全表面微加工可以避免体硅加工中需要双面对准、钝化困难的??工艺难度；同时体硅加工需要考虑腐蚀硅基底而预留较大区域，从而使得芯片面??积相对表面加工较大。??Ｐｔ￣＼?ｊ￣?ＺｎＯ??戶两美ｎ，，?？?１??＾Ｐ－ｄｏｐｅｄ?ｐｏｉｙＳｉ－＾?ｂｕｌｋ?Ｓｉ?ｖ－Ｓｉ〇２／Ｓｔ３Ｎ４?＼??＿???—＾————＿／??图３氧化锌薄膜压电加速度计??２００２年英特尔公司的Ｌｉ－ＰｅｎｇＷａｎｇ等人１２３’２４１使用ＰＺＴ材料研制了一种环形??结构的压电加速度计，如图４所示，使用溶胶凝胶法（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）在环形电极间涂覆??５．６叫１的ＰＺＴ厚膜，并通过内外环形电极将ＰＺＴ材料沿轴向方向极化。相比于??ＺｎＯ材料，ＰＺＴ材料具有更大的压电耦合系数，且压电耦合系数随着薄膜的厚度??增加而增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究[J]. 孙颖奇,李保庆,马剑强,张天磊,褚家如. 压电与声光. 2013(06)
[2]三维压电加速度传感器的设计[J]. 黄朋生,任天令,楼其伟,刘建设,刘理天. 压电与声光. 2003(05)
博士论文
[1]基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D]. 唐刚.上海交通大学 2013
[2]掺杂PZT薄膜的制备及微结构与铁电性能研究[D]. 孙秋.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于双压电PZT薄膜单元的悬臂梁式微力传感器研究[D]. 刘梦伟.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]组分梯度变化PZ-PT-PZN陶瓷的制备及性能研究[D]. 余洪铀.浙江工业大学 2016
[2]压电加速度传感器测量电路的研究与开发[D]. 陶玉贵.安徽大学 2007
[3]压电陶瓷（PZT）特性的分析及实验测试[D]. 刘欣.昆明理工大学 2007
本文编号：3524497
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