基于PZT薄膜面内极化工作的低应力压电微传声器

本文设计、制作并测试了一种基于压电PZT薄膜面内极化工作的压电微传声器.利用压电薄膜的纵向压电常数,并通过压电微传声器面内电极的设计提高电极间距,以提高压电微传声器的灵敏度.由于基于PZT薄膜的多层结构常具有很大的残余应力,通过5种不同振动膜材料与PZT薄膜的应力匹配实验,研究了降低振动膜应力的方法.结果表明,对于相同尺寸的膜片,PZT/ZrO2/LTO/Si3N4具有最小的变形,其中心处的变形(200 nm)仅为膜片PZT/ZrO2/Si3N4/SiO2中心处变形(17μm)的1%.采用体硅微加工工艺制作了具有方形振动膜(2 mm×2 mm)的压电微传声器结构,采用LTO/Si3N4多层结构作为振动膜结构,方形膜片中心的圆形结构为PZT薄膜,环形叉指结构为Au/Cr电极.压电微传声器在0.15 kHz~6 kHz频率范围内的灵敏度约为0.1 mV/Pa.     

各向异性单晶硅中声波时间反转自适应聚焦

1引言 在各向异性介质中,声波的传播速度与方向有关,这种传播特性会使聚焦声束产生散焦,研究如何克服这种因为传播速度各向异性而造成的相位畸变,具有重要的理论和实际意义.时间反转法(TR,time reversal)是一种新颖的聚焦方法,不需要了解介质的性质和换能器阵的结构就可以实现自适应聚焦.在时间反转处理过程中,用时间反转阵接收声波,并进行存储、时间反转后再发射,这时换能器阵各个阵元激发的声波将同时同相到达原声源处,实现自适应聚焦.近年来,这种聚焦方法引起越来越多的关注,Fink等在TR方法方面开展了大量而深入的研究,从理论上对时间反转法进行了论证,并开展了相应的实验研究.我们实验室也开展了水下波导介质和各向异性介质中时间反转法的研究,研制了一套数字式多通道超声成像系统.各向异性介质中声波时间反转法研究相当少见,在本研究中,选用本征单晶硅作为各向异性介质,研究时间反转法的自适应聚焦特性.     

PZT薄膜的制备及其与MEMS工艺的兼容性

用溶胶-凝胶技术在Pt/Ti/SiO2/Si上制备了PZT薄膜,并采用剥离技术与热处理的方法解决了Pt电极的图形化,在结晶热处理前,利用PZT腐蚀液对PZT进行图形化腐蚀.分别用SEM,XRD,EDX对电极和PZT薄膜的相貌、相结构以及化学组分进行了分析.结果表明:所制备的PZT薄膜具有完全的钙钛矿型结构;这种图形化的工艺方法大大改善了电极和PZT的图形化条件,在不影响电极和PZT性能的同时,提高了电极和PZT的图形质量;底电极和PZT的图形化过程,避免了强酸长时间的腐蚀,大大提高了PZT薄膜的制备与MEMS工艺的兼容性.     

一种以多晶硅为振动膜的MEMS传声器研制

给出了以磷掺杂的多晶硅为振动膜的电容式MEMS传声器的研制过程。从等效电路模型出发,研究了电容式MEMS传声器的振动特性和灵敏度,给出了传声器灵敏度随振动膜张力、膜与背板间的空气隙厚度、背板声孔大小及背板声孔所占面积而变化的解析表达式。结合硼掺杂硅/硅复合背板结构MEMS传声器,提供了参考制作工艺流程。样品测试在1kHz频率处的灵敏度达到-60dB(相对于1V/Pa)。     

硅微传声器的电声测试与灵敏度分析

根据所研制的电容式硅微传声器理想模式下的工作原理,建立了分析声一电模型,从理论上分析了器件的机械性能、灵敏度以及频响特性,并对不同结构参数的电容式硅微传声器进行性能测试,得出了系统设计的原则,要想得到高灵敏度的微传声器器件,在满足工艺可实现性的条件下,必须考虑尽可能小的空气隙厚度,以及具有较小内应力的声学振膜。     

SAW声栅频谱分析器探讨

本文提出一种新型的、纯声学的宽带实时射频频谱分析器,其物理基础是声表面波在声栅上的Bragg衍射现象。文中简要描述了这种器件的基本原理和结构原型;讨论了决定这种器件性能的几个主要因素,估计了这种器件的发展潜力,并与集成声光射频频谱分析器作了比较。     

圆形振动膜硅微电容传声器

硅微传声器是一种用MEMS技术制造的、将声信号转换为电信号的声学传感器.该传声器只需五次光刻工艺即可制作完成,其灵敏度在偏置电压为9V时可达15mV/Pa左右,在100Hz～18kHz的范围内的频率响应也较平坦.     

氧化锌薄膜体声波谐振器的研制

介绍了一种薄膜体声波谐振器和它的制备流程.该谐振器采用氧化锌压电薄膜作为压电材料,通过从硅片背部体刻蚀硅衬底的方法得到谐振器的支持层.为了避免残余应力引起的支持层起皱现象,采用氮化硅/二氧化硅/氮化硅复合膜作为支持层.采用直流磁控溅射的方法制备氧化锌压电薄膜,X射线衍射结果显示,氧化锌压电薄膜C轴择优取向明显,衍射峰半高宽为0.227 3°,显示出较好的结晶质量;扫描电镜观察到氧化锌垂直于薄膜表面的柱形晶粒结构,薄膜表面平整、致密.采用HP8753D射频网络分析仪对该薄膜体声波谐振器样品进行了测试,结果表明,谐振器具有明显的厚度伸缩振动模式,其基频在750 MHz左右,二次谐频在1.5 GHz左右.进一步提高氧化锌压电薄膜的性能,该谐振器可用于射频振荡源和射频前端滤波器中.     

基于ZnO薄膜的MEMS Lamb波微器件的设计与制造

MEMS Lamb波超声器件是传感器、执行器和谐振器等应用中非常重要的器件。本文设计并制作了基于ZnO薄膜的Lamb波微器件。Lamb波分别由Al叉指电极发射和接收。为了减小膜片的残余应力,本文设计并制造了ZnO/Al/LTO/Si3N4/Si多层薄板。提出并使用了一种新的获得ZnO薄膜压电常数的方法。器件的波传播模式及频率的测量结果表明反对称A0模式和对称S0模式Lamb波的中心频率与理论估计相符。本文还测量了用于重量分析的MEMS Lamb波器件的的质量灵敏度。     

Design and fabrication of a MEMS Lamb wave device based on ZnO thin film

This paper presents the design and fabrication of a Lamb wave device based on ZnO piezoelectric film. The Lamb waves were respectively launched and received by both Al interdigital transducers.In order to reduce the stress of the thin membrane,the ZnO/Al/LTO/Si₃N₄/Si multilayered thin plate was designed and fabricated.A novel method to obtain the piezoelectric constant of the ZnO film was used.The experimental results for characterizing the wave propagation modes and their frequencies of the Lamb wave device indicated that the measured center frequency of antisymmetric A₀ and symmetric S₀ modes Lamb wave agree with the theoretical predictions.The mass sensitivity of the MEMS Lamb wave device was also characterized for gravimetric sensing application.