硅基PZT压电薄膜微传感器的结构设计和实验研究

对硅基锆钛酸铅(PZT)压电薄膜微传感器进行了结构和版图设计.根据MEMS加工工艺和标准硅基IC工艺的特点,获得了硅基PZT压电薄膜微悬臂梁结构系统工艺流程中的关键工艺技术和典型工艺条件.对PZT压电薄膜的制备和微细图形化进行了较为详细的实验研究,最后成功地制备出硅基PZT压电薄膜微传感器样品.这对集成化芯片系统的进一步发展打下了良好的实验基础.     

基于PZT压电薄膜的压力传感器工艺研究

选用敏感材料锆钛酸铅(PZT),优化微机电系统(MEMS)微加工工艺,制作了硅基PZT压电薄膜叉指式电极结构的MEMS压力传感器。在基体Au/Ti/LNO/SiO_2/Si<100>上,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在650℃高温下采用分层退火的方式进行退火,得到厚1.2μm的PZT压电薄膜。薄膜表面均匀,无裂纹。利用光刻工艺和低压溅射工艺得到平行叉指电极。制作完成PZT压电薄膜结构的微压力传感器,在弹性薄膜上施加压力,其电压输出性能较好,说明基于压电薄膜的叉指电极结构可行,为基于纳米纤维结构的微压力传感器的制作奠定了理论基础。     

基于MEMS的硅基PZT薄膜微力传感芯片

为了测量毫克级的微小力,设计并制造了一种硅基PZT薄膜悬臂式微力传感芯片。采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了厚度不同(300~800 nm)的锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3)薄膜,薄膜表面均匀,无裂纹。通过测试和分析,研究了PZT薄膜的制备工艺参数和压电、铁电、阻抗特性。采用微机械加工手段制作了长度为1 000μm、500μm、250μm的硅基PZT薄膜微型悬臂结构。当在悬臂的自由端沿着厚度方向施加毫克级的微小力时,微型悬臂就会在厚度方向发生弯曲和振动,通过测量在压电材料表面电极上的电荷量,并通过计算可得到微型悬臂所受的集中力的大小,实现微力的测量。该文还对微力传感芯片的工作方式进行了研究,初步设计了传感器系统模型。     

硅基PZT压电驱动微开关的设计和优化

采用压电多层微悬臂梁理论分析模型，研究了一种新型PZT压电复合多层膜微悬臂梁驱动微开关的机械性能，提出了一种新的硅基PZT压电复合多层薄膜微悬臂梁驱动微开关的制作方法。利用有限元分析软件ANSYS7.O对微悬臂梁结构进行了模态分析，探讨了结构参数与微悬臂梁运动特性的关系及影响压电薄膜微开关性能的因素，进一步模拟了0．3V工作电压下微开关的位移。结果表明，经优化后的压电薄膜微开关可进一步应用到集成化芯片系统中。     

电声元件、器件

0020437铁电-硅集成微麦克风和扬声器的理论设计[刊]/任天令//压电与声光.—2000,22(4).—234～236(L)在现有 Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)铁电薄膜的制备工艺基础上,提出并设计了可集成在同一芯片上的基于PZT 铁电薄膜的压电型微麦克风、扬声器结构,对其灵敏度和声输出进行了理论计算。比较了基于 PZT和 ZnO 两种材料的微麦克风和扬声器的性能差异。参5     

一体化仿生结构压电MEMS水声传感器

为了实现水声传感器的低能耗、高灵敏度以及低成本批量制造,设计并制备了一种四螺旋梁集成拾振微球的一体化仿生压电微电子机械系统(MEMS)水声传感器.根据水母耳石触觉结构和水母身体回弹发电原理对该传感器进行仿生结构设计,并通过建模仿真确定其几何尺寸.利用溶胶-凝胶法制备了PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT)压电薄膜...     

用于微传感器中PZT压电薄膜的制备和图形化

采用溶胶-凝胶法在Si/Si3N4/Poly-Si/Ti/Pt基片上制备PZT压电薄膜, 为了选择更适合微电子机械系统(MEMS)器件的压电薄膜,采用一般热处理和快速热处理对锆钛酸铅(PZT)压电薄膜进行干燥和结晶.首先,采用V(H2O):V(HCL):V(HF)＝280 mL:120 mL:4drops(4滴HF溶液)配比的腐蚀液在室温下对未结晶的PZT压电薄膜进行了湿法腐蚀微细加工;然后,对图形化好的压电薄膜进行再结晶的热处理,实验结果表明这种方法可用于压电薄膜微器件的制备.     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风。这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件,采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟,研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系,分析了影响微麦克风机电性能的多种因素,给出了优化的器件结构和工艺流程。     

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风。这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件，采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟，研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系，分析了影响微麦克风机电性能的多种因素，给出了优化的器件结构和工艺流程。     

纳米尺度压电薄膜PZT的结构特征和性能

采用改进的溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备锆钛酸铅(PZT)纳米晶薄膜,研究了不同的热处理方式对PZT薄膜的晶粒结构、尺寸及电学性能的影响。X-射线衍射(XRD)分析表明:传统的热处理方式更有利于得到具有一定择优取向性的PZT薄膜。原子力显微镜(AFM)显示:快速热处理方式使PZT薄膜的晶粒具有自形晶结构,晶粒的排布更为有序,从而改善了薄膜的致密性。阻抗分析仪的测试结果表明:经快速热处理的薄膜,漏电流大约比传统热处理处理的薄膜的漏电流降低了20倍左右。     

铁电存储器中Pb(Zr,Ti)O_3集成铁电电容的制备

在铁电不挥发存储器 (FERAM)技术中 ,集成铁电电容的制备是关键工艺之一。文中提出一种制备集成铁电电容的改进工艺 :采用 lift-off技术在衬底样品表面淀积铁电电容 Pt/Ti下电极 ,然后用 Sol-Gel方法制备 PZT薄膜。在 PZT薄膜未析晶前 ,先将它加工成电容图形 ,再高温退火成为 PZT铁电薄膜。最后完成铁电电容 Pt上电极。与传统工艺相比 ,改进后的工艺能保持 PZT铁电薄膜与金属上电极之间良好的接触界面。测试结果表明 ,工艺条件的变动不会影响 PZT铁电薄膜的成膜和结构 ,从而可得到性能优良的铁电电容。     

梯度煅烧对PZT铁电薄膜表面形貌的影响

研究了通过梯度煅烧制度改善薄膜开裂同题的方法和机理。实验在Al2O3基片上采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法制备了PZT铁电薄膜，发现薄膜的开裂程度随预烧制度的不同而存在明显的差别。结果表明，通过选择薄膜的预烧温度，使各个薄膜层的预烧温度呈梯度分布，可减小薄膜中的应力，从而改善薄膜的开裂情况。     

PT种子层对PZT薄膜结晶及压电性能的影响

采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在Pt/Si衬底上制备了PbTiO3 (PT)薄膜和Pb (Zrx,Ti1-x)O3(PZT)薄膜,研究了退火温度以及PT种子层对PZT薄膜结晶及压电性能的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,制备的PZT薄膜为纯钙钛矿结构的多晶薄膜,有PT种子层的PZT薄膜晶粒尺寸更大,(110)面取向度更高,结晶性能更好;原子力显微镜(AFM)结果表明,制备的薄膜表面形貌比较平整、均匀、无裂纹;压电力显微镜(PFM)结果表明,压电力显微镜(PFM)结果表明,有PT种子层时,PZT薄膜的平均压电系数d33为128～237 pm/V,无PT种子层时平均压电系数d33为21～29 pm/V。在升温速率为10 ℃/s的退火条件下保温10 min时,随着退火温度的升高,PZT薄膜晶粒尺寸增大,粗糙度增大,(110)面取向度升高,平均压电系数d33增大。PT种子层能够有效的改善PZT薄膜的结晶性能和压电性能。     

PZT铁电薄膜介电性能测试研究

运用数字锁相技术研究了Pb(Zr,Ti)O_3(PZT)铁电薄膜的介电性能测试技术,随着薄膜微图形化尺寸的缩小,电路寄生参数的影响将逐渐变大并成为主导因素,从而严重影响薄膜介电性能测试的准确性.通过补偿方法,消除了电路寄生参数的影响,准确测量了薄膜的介电常数.通过对溶胶-凝胶制备的PZT薄膜样品的介电性能测试表明,上述补偿法可满足PZT铁电薄膜制备技术及微机电系统中器件设计对PZT微图形性能测试的要求.     

以PZT薄膜为驱动和传感的微型陀螺研制

利用压电陶瓷PZT的正反压电位效应,将PZT薄膜同时作为驱动及传感材料,设计并制造了两种新颖的以IC兼容技术制作在硅片上的压电薄膜微型陀螺。高质量的PZT薄膜是在Pt/Ti/SiO2/Si基底上以溶胶－凝胶技术铺设的。基于反压电效应,微型陀螺在其谐振频率上被输入的交流信号驱动,由其正压电效应,可检测到与转动角速度成正比的输出信号。文章分别介绍了两种微型陀螺的设计原理,详述了制作方法,并对制出的压电微型陀螺进行了检测,得到了的结果与预测结果相符。     

应用于FRAM的集成铁电电容的研究

集成铁电电容的制备是铁电存储器的关键工艺之一。该文采用射频(RF)磁控溅射法在Pt/Ti/SiO2/Si制备Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜,上下电极Pt采用剥离技术工艺制备,刻蚀PZT薄膜,形成Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si集成电容结构,最后高温快速退火。结果表明,这种工艺条件可制备性能良好的铁电电容,符合铁电存储器对铁电电容的要求。     

PZT厚膜拾振器微图形化工艺研究

采用sol-gel方法制备了PZT铁电厚膜，构成了SiO2／Si／SiO2／Ti／Pt／PZT／Ti／Pt形式的拾振器敏感元结构。基于半导体光刻技术，通过干法刻蚀电极和化学湿法刻蚀PZT厚膜等技术，成功地实现了敏感元的微图形化，解决了Pt／Ti下电极刻蚀难、制作的PZT膜形貌不好和上电极容易起壳等问题，为基于PZT厚膜的高性能拾振器的研制打下了良好的基础。     

溶胶一凝胶工艺对PZT铁电薄膜结构的影响

本文阐述了用溶胶一凝胶法制备锆钛酸铅（ＰＺＴ）铁电薄膜的工艺参数对薄膜结构的影响。实验表明，采用合适的工艺参数能制备出具有钙钛矿型结构的ＰＺＴ铁电薄膜。