PZT压电薄膜在MEMS中的应用

从MEMS应用的角度介绍了PZT压电薄膜的制备、集成工艺与压电系数的测量,并给出了压电薄膜在MEMS中的应用实例。     

高温MEMS薄膜热流传感器研究进展

对可用于高温环境的MEMS薄膜热流传感器(TFHFS)的测量原理、结构设计、材料成分以及制造技术进行了简单阐述,分别介绍了半无限几何、热阻式、热电堆和横向热电效应型TFHFS的结构特点和应用优势。归纳讨论了国内外科研团队研制的各种TFHFS的量热法、传感方式、结构、材料以及测量模式,按照热敏材料分为金属和合金型、陶瓷和新型聚合物衍生陶瓷型两类,重点关注TFHFS的高温稳定性、响应时间、灵敏度等性能。最后,总结了目前TFHFS面临的技术难题和发展趋势,可为应用于更严酷环境的高温薄膜热流测量技术提供参考。     

基于MEMS芯片的磁性材料TEM表征技术

传统透射电子显微镜(TEM)以电磁场为透镜,通常情况下磁性材料不能直接在TEM下进行观测,一般使用以碳为支撑膜的双联铜网作为样品载网,但仍然有一定的破损概率。设计并实现了一种新型的基于微电子机械系统(MEMS)芯片的磁性材料TEM表征技术。该技术通过磁性TEM芯片和配套的样品杆,在TEM内形成一个密闭空间。将磁性样品上载到磁性TEM芯片上,从而实现在TEM下对磁性样品的安全观测。该芯片的核心结构是可以透射电子束的超薄氮化硅窗口,该窗口采用低压化学气相沉积(LPCVD)法制备,具有极高的机械强度,最高可以承受接近400 kPa的气压差。实验结果表明,利用该TEM表征技术可以在TEM下成功观测铁包硅和NiO两种磁性材料,分辨率可以达到原子级。     

MEMS薄膜泊松比测试方法的研究进展

综述了MEMS薄膜泊松比的测试方法,简述了测试薄膜泊松比的目的和意义。结合测试环境与测试手段详细地列举了几类常用的测试方法:拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、谐振法、弯曲法和扭转变形法,介绍了各种测试方法的发展过程,并分析了各种测试方法在使用中所面临的关键问题。最后,从可操作性、精确度和适用范围等方面比较了各种方法的优劣,给出了测试方法选取的建议,并对MEMS薄膜测试技术的发展进行了展望,指出在线测试技术将推动MEMS薄膜测试技术的进一步发展。     

用于不同粒径粒子聚焦的MEMS微流体芯片

基于惯性微流体技术和微电子机械系统(MEMS)工艺,设计了一款用于不同粒径粒子聚焦的微流体芯片。通过对不同收缩区-扩张区面积比(CE-ratio)以及相同CE-ratio下不同收缩区与扩张区长度关系的微通道进行仿真测试,制备出了分别适用于不同粒径粒子的对称式小CE-ratio微通道。采用MEMS工艺加工,通过改进键合工艺使芯片能在高流速下保持性能稳定。在雷诺数为68的前提下对聚焦测试图进行归一化灰度值分析。测试结果表明：通道内粒子聚焦流线(粒径5μm和20μm)处灰度值比其他位置灰度值高3倍,且通道内其他位置的归一化灰度值较稳定地保持在0.2(粒径20μm)和0.25(粒径5μm)左右。在高流速工作情况下,对称式小CE-ratio微流体芯片性能稳定且粒子聚焦效果良好。     

全屏蔽硅基腔体MEMS双工器

基于三维高精度微电子机械系统(MEMS)加工工艺,研究了一种全屏蔽硅基腔体MEMS双工器的设计及制备方案。简要分析了关于平行耦合线滤波器的相关设计原理,采用λ/4平行耦合线设计两通道滤波器,结合T型匹配网络实现双工器的设计。该双工器以双层高阻硅片作为衬底材料,采用MEMS工艺制备接地通孔,以提高双工器的隔离度及电磁兼容特性。设计的双工器发射通道工作频率为9～10 GHz,接收通道工作频率为11～12 GHz,最终制备出尺寸为7 mm×7 mm的双层硅基双工器,发射及接收通道的回波损耗≤-18 dB,两个通道之间的隔离度约为-30 dB。测试结果与仿真结果吻合较好,为硅基MEMS微系统的集成设计提供技术支撑。     

一种基于MEMS工艺的365 GHz硅微波导垂直转接结构

基于微电子机械系统(MEMS)工艺设计并制作了一种THz垂直转接结构,该结构采用6层硅片堆叠的硅微波导形式。理论分析计算了垂直转接结构的参数,并使用三维电磁场分析软件HFSS对该结构进行了模拟仿真。设计得到了中心频率为365 GHz、带宽为80 GHz、芯片尺寸为10 mm×7 mm×2.7 mm的THz垂直转接结构。给出了一套基于MEMS工艺的硅微波导的制作流程,制作了365 GHz垂直转接结构并对其进行测试。获得的THz垂直转接结构的回波损耗随频率变化的测试结果与仿真结果基本一致。采用MEMS工艺制作的硅微波导垂直转接结构具有精度高、一致性好、成本低的特点,满足THz器件的发展需求。     

美国生物医学界的MEMS器件的应用和研究动向

本文分两部分概要地介绍了美国生物医学界应用MEMS(微电子机械系统)微传感器和MEMS微系统的研究动向。     

一种振动测量用电容式硅基MEMS加速度计

为了解决目前微电子机械系统(MEMS)加速度计在振动测量领域量程小和振动测量精度低等问题,基于绝缘体上硅(SOI)加工工艺,设计并制作了一款梳齿电容式MEMS加速度计。通过提高工作模态频率和干扰模态频差,提升了加速度计振动环境适应性;加速度计量程达到±50g,非线性度0.2%,横向灵敏度0.17%,分辨率优于0.5mg,体积9 mm×9 mm×2.7 mm,功率损耗30 mW。针对随机振动环境对加速度计的输出精度进行了实验验证,结果表明,MEMS加速度计与标准传感器的输出误差为2.69%,能够满足大部分工程应用需求。     

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。     

压电双晶梁MEMS传感器的稳健设计研究

微机电系统(MEMS)传感器结构参数的微小变差会影响其性能稳定。为提高MEMS传感器性能的稳健性,以压电双晶梁MEMS传感器为例,根据Smits模型,分析压电双晶梁的设计变量和噪声因素的随机性,建立基于随机模型的稳健设计数学模型;编制算法程序,确定MEMS传感器的最优设计解结果优于原设计方案。对比其稳健设计容差模型所得优化解,两者误差率为6.17%,验证了稳健设计结果的正确性。研究表明,即使设计变量存在变差,稳健设计仍能提高MEMS传感器的性能,并保证设计解的稳健性。     

采用PZT薄膜的体声波RF滤波器设计

在分析体声波滤器的原理、结构及相关参数的基础上,结合锆钛酸铅薄膜的材料特性,提出了一种射频体声波滤波器设计。设计中考虑了衬底、电极的质量加载对中心频点的影响,模拟了不同连接方法下滤波器的频率特性,探讨了薄膜材料的制备、退火、刻蚀工艺的选择与优化。     

流延硅基PZT厚膜工艺研究

研究了基于流延技术制备硅基锆钛酸铅（PZT）厚膜的工艺。考虑衬底特性对厚膜品质的影响,在不同的种子层上分别制备了PZT厚膜,测试工艺结果,证实了种子层的作用。分析了高温烧结时间对流延PZT厚膜品质的影响,确定了最优高温烧结时间。文章提出的硅基PZT厚膜工艺可用于制备射频天线的介质基片。     

纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性

给出一种纳米多晶硅薄膜压力传感器,采用LPCVD法在衬底温度620℃时制备纳米多晶硅薄膜,基于MEMS技术在方形硅膜不同位置制作由4个薄膜厚度为63.0nm的掺硼纳米多晶硅薄膜电阻构成惠斯通电桥结构,实现对外加压力的检测. 实验结果表明,当硅膜厚度75μm时,纳米多晶硅薄膜压力传感器在恒压源5.0V供电时,满量程（160kPa）输出为24.235mV,灵敏度为0.151mV/kPa,精度为0.59%F.S,零点温度系数和灵敏度温度系数分别为-0.124%/℃和-0.108%/℃.     

PZT铁电薄膜的雾化湿法刻蚀技术研究

PZT薄膜的微图形化是制备基于PZT薄膜微传感器和微驱动器的关键技术之一。通过引入雾化技术,改进了传统的PZT薄膜湿法刻蚀方法,进一步减小了薄膜微图形的侧蚀比,提高了图形的转化精度。选用体积比为1∶2∶4∶4的BHF/HCl/NH4Cl/H2O溶液作为刻蚀液,对溶胶-凝胶法制备的1μm厚PZT薄膜作雾化湿法刻蚀,刻蚀速率为28 nm/s,侧蚀比为0.5∶1。对所得样品表面区域进行EDS分析表明,所得PZT薄膜图形表面无残留物,该工艺可用于MEMS领域中PZT薄膜的微图形化。     

纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性

给出一种纳米多品硅薄膜压力传感器,采用LPCVD法在衬底温度620℃时制备纳米多晶硅薄膜,基于MEMS技术在方形硅膜不同位置制作由4个薄膜厚度为63.0nm的掺硼纳米多晶硅薄膜电阻构成惠斯通电桥结构,实现对外加压力的检测.实验结果表明.当硅膜厚度75μm时,纳米多晶硅薄膜压力传感器在恒压源5.0V供电时,满量程(160kPa)输出为24.235mV,灵敏度为0.151mV/kPa,精度为0.59%F.S,零点温度系数和灵敏度温度系数分别为-0.124%/℃和-0.108%/℃.     

PZT压电薄膜无阀微泵的制备工艺及实验研究

介绍了一种基于PZT薄膜的无阀压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,自制的压电圆型薄膜片作为驱动部件,采用收缩管/扩张管结构,压电圆型致动片和PDMS泵膜的组合可产生较大的泵腔体积改变。在对微泵制备工艺研究的基础上,对其性能进行了实验研究,结果表明:电压和频率对流速均有显著影响。在7.5 V1、80 Hz的正弦电压驱动下,该压电微泵的最大输出流速为2.05μL/min。该文制作的微泵具有流量稳定,驱动电压较低,性能稳定可靠和易控制等优点,可满足微流体系统的使用要求。     

2-2型PZT/环氧树脂复合压电材料的研究

采用浇注法制备出了并联式2-2型PZT-环氧树脂复合压电材料,对其相关性能进行研究,结果表明,浇铸发生固化反应的最佳配比工艺为环氧树脂与聚酰胺650体积比为4∶1,室温下固化3~5天。复合材料的介电损耗随着测试频率的增大而下降并趋于稳定;随着锆钛酸铅(PZT)含量的增加,压电常数(d33)、介电常数(ε)、介电损耗(tanδ)数值均逐渐增大。在1kHz的测试频率下,复合材料的d33=146.5pC/N,ε=2 100,tanδ=0.090。弯曲强度(σf)=162.2 MPa。当复合材料的PZT的体积分数为63.5%时,σf=162.2 MPa,挠度为6%~10%。