压电悬臂梁式微型电场传感器的设计与制备

提出并研制一种新型压电悬臂梁式微型电场传感器,该传感器是基于压电(PZT)薄膜驱动的悬臂梁式微型电场传感器;同时介绍了传感器的工作原理、结构设计、制作工艺以及初步测试结果。该微型电场传感器由多根压电悬臂梁构成,每根悬臂梁能同时具有屏蔽电场和感应电荷功能。对传感器感应电荷的能力进行了计算;并根据计算结果和工艺要求设计了传感器的参数。该微型电场传感器采用微加工技术制作,每根悬臂梁为多层复合结构(Al/Si3N4/Pt/PZT/Pt/Ti/Si O2/Si),其中PZT薄膜采用溶胶-凝胶法制备。测试结果证明,传感器具有良好的响应特性。     

溶胶-凝胶法制作PZT薄膜微驱动器的工艺研究

使用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备了PZT压电薄膜,利用PZT的压电效应制作以PZT薄膜为驱动的无阀型微驱动器.针对微驱动器的关键结构驱动膜,探索了多层驱动膜的制备方法及PZT薄膜的刻蚀工艺.采用Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构,解决了PZT薄膜制备中存在附着力、抗疲劳等问题,利用BHF/HNO3溶液实现了PZT薄膜刻蚀技术的半导体工艺化.同时详细探讨了微机械加工(MEMS)中温度及溶液浓度对腐蚀工艺的重要影响,给出了硅各向异性腐蚀的最佳化工艺条件.通过以上方法成功地解决了集成制作的无阀型微驱动器的关键工艺问题,降低了器件的复杂性.采用以上工艺得到的驱动器硅杯面积大、均匀、平坦,而且在无阀型微驱动器整体设计中没有可以移动的机械部分,所以微驱动器的寿命也得到了提高.     

压电微悬臂梁探针的制作工艺研究

为实现压电探针在纳米器件表征和加工领域的应用,设计并制作了一种压电微悬臂梁探针.采用各向异性湿法腐蚀的方法得到纳米级硅针尖,用局部压电层方法解决了压电微悬臂梁探针制作过程中探针、压电薄膜和微悬臂梁之间的工艺兼容性问题.使用微力传感器测试平台对尺寸为450μm×70μm的压电悬臂梁探针进行测试,结果表明,这种尺寸的压电悬臂梁探针的弹性常数为21.17N/m,与理论计算值相符.通过对压电探针的设计制作,总结了湿法腐蚀-干法刻蚀等工艺的结合方案,为压电探针的广泛应用奠定了基础.     

一种新颖的四梁式压电薄膜微型陀螺

利用压电陶瓷的特性 ,采用IC兼容的技术 ,设计并制造了一种新颖的压电薄膜微型陀螺 .在Pt/Ti/SiO2 /Si基底上以sol gel技术铺设了高质量的压电陶瓷薄膜 .基于压电反效应 ,微型陀螺在其谐振频率上被 0 .3V的交流信号驱动 .由其压电正效应 ,可检测到与转动角速度成正比的输出信号 .本文介绍了该微型陀螺的设计原理 .实验结果证实了理论预测 .     

基于PVDF的压电能收集电路的设计

针对环境中压电振动能的收集问题,该文提出基于PVDF(压电薄膜)的压电能收集电路的设计。首先,需要对PVDF压电传感器的具体工作原理进行研究,制作一种可以将PVDF中压电能提炼出来的传感器;其次,将采集到的振动电压信号,通过AC-DC、DC-DC转换电路进行整流、滤波、升压;最后,通过充电电路给锂电池进行充电,将不易收集利用的压电能改变成稳定的电能存储在锂电池中,实现压电能的合理收集和利用。     

微悬臂梁器件制作工艺的可靠性研究

由于传统机械加工方法不能实现微型悬臂梁阵列加工的需要,故微悬臂梁阵列的制作需要采用MEMS技术,针对MEMS中微悬臂梁制作废品率高的问题,从悬臂梁的加工工艺出发,分析了断裂、粘连、黏附等失效形式,从可靠性的角度分析失效原因,通过控制溅射铝时的温度变化有效降低层间的残余应力;通过淀积表面能厌水的覆盖层来防止黏附等相应改进措施来提高微悬臂梁器件制作的可靠性。     

自带均热板的微弹簧式悬臂梁微加热器的研究

利用硅基MEMS工艺,通过背面分步刻蚀工艺湿法刻蚀<100>晶向硅片,结合SiO2薄膜热氧化工艺、磁控溅射薄膜制备工艺、光刻工艺、lift-off工艺,制备了一种自带均热板的微弹簧式悬臂梁微加热器。L型悬臂梁结构比直线型结构应力分布均匀。标定了微加热器的R-T曲线、I-V曲线。微加热器在工作电压为2.3V时,加热电阻值为60.96Ω,功耗为86.72mV,可获得673K的工作温度。     

硅微机械悬臂梁谐振器的电热激励及光纤拾振技术的研究

用理论分析方法研究了硅微悬臂梁的电热激振机理，得到了微机械悬臂梁电热激励下的温度场分布，并推导出了镀膜双层硅微悬臂梁的电热激励热力矩。利用硅微机械加工工艺制作了双层结构硅微悬臂梁谐振器，通过在硅微悬臂梁上制作的热激励电阻，用电热方法对硅微谐振器实现了激振。设计了光纤传感检测系统用于硅微谐振器微弱谐振信号的拾取，并成功检测到了硅微谐振器的前3阶谐振信号。     

Sol-Gel法在不同衬底上制备的LaNiO_3导电薄膜的性能研究

采用溶胶凝胶法快速成膜工艺分别在Si(100),SiO2/Si,Pt/Ti/SiO2/Si不同基底上制备LaNiO3导电薄膜,并分别以LNO和Pt/Ti为基底制备PZT薄膜。通过XRD,AFM,EDS等测试手段对LNO导电薄膜的结构及组成进行表征,并通过XRD,介电性能的测试比较LNO/Si和Pt/Ti沉积PZT薄膜的性能。结果表明,在Si(100),Pt/Ti/SiO2/Si上制备的LaNiO3导电薄膜是赝立方结构,而在SiO2/Si衬底上是四方结构。在Si(100)上得到的LNO薄膜致密、平整,可以作为制备PZT薄膜的导电层。在LNO和Pt/Ti上制备的PZT薄膜均为钙钛矿结构,且PZT/LNO薄膜各衍射峰强度优于PZT/Pt/Ti;而介电性能方面,PZT/LNO较PZT/Pt/Ti稍差,100kHz时,PZT/LNO和PZT/Pt/Ti的介电常数和介电损耗分别为562,0.29;408,0.037。     

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统，通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比．通过晶种层材料的实验得出Ti—Cu作为晶种层材料的优点．利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等，得到了一组比较有价值的电铸参数。并对电铸中存在的问题进行了阐述，实验结果表明，采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构．     

微型电容式压力传感器硅基薄膜的设计与制备

获得均匀、平整的硅基薄膜是制备出高灵敏度的微型电容式压力传感器的关键步骤.首先在理论分析的基础上,确定了微型电容式压力传感器的基本参数,而后在制备中,发展了一种新型的硅基薄膜制作方法,即利用硅-玻璃键合工艺,结合浓KOH溶液超声腐蚀与化学机械抛光的方法,得到了厚度为10μm的均匀、平整的硅基薄膜,为制备微型压力传感器奠定了工艺基础,也可用于其他微机电系统(MEMS)压力传感器.     

不同衬底对溅射Pb(Zr_(0.8)Ti_(0.20))O_3薄膜的结构及其性能的影响

利用射频磁控溅射法在低阻Si,Si O2/Si以及Pt/Ti/Si O2/Si等不同衬底上制备了Pb(Zr0.8Ti0.2)O3薄膜.利用XRD,SEM等对薄膜的结构性能进行了分析,结果发现不同衬底对溅射制备的PZT薄膜的结构有很大影响.在Pt/Ti/Si O2/Si衬底上制备的PZT薄膜经600℃退火1h后,薄膜表面光滑、无裂纹,XRD分析显示PZT薄膜呈完全钙钛矿结构,测试PZT薄膜的电学性能,表明PZT薄膜具有良好的介电性能.     

梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理

利用梯度功能压电执行器设计和制作了双悬臂梁结构的微夹钳 ,用作微型机器人操作系统的操作手 .该微夹钳整体尺寸为 1 5　 mm× 2　 mm× 2　 mm,质量为 1 2 0　 mg.建立了梯度功能压电陶瓷悬臂梁的双层复合梁模型 ,从该模型和压电本构方程出发 ,分析梯度功能压电陶瓷微夹钳的操作原理 .理论推导了该悬臂梁的微位移特性 ,由微夹钳的双悬臂梁结构 ,得到微夹钳的顶端张开量 .实际测量了梯度功能压电微夹钳的顶端张开量 ,其实际值与理论推导值有较好的一致性     

基于AlN压电层的薄膜体声波谐振器

以AlN薄膜为压电层,采用体硅微细加工工艺制备背空腔型结构薄膜体声波谐振器.材料测试结果表明,在优化溅射工艺下沉积的AlN薄膜具有(002)择优取向及良好的柱状晶结构.扫描电镜表征结果证实所制得空腔背部平滑且各向异性较好.用网络分析仪测试可知,所制得的谐振器具有较好的频率特性:谐振频率为2.537 GHz,机电耦合系数3.75%,串、并联品质因数分别为101.8、79.7.     

用AAO模板制备有序硅纳米线阵列

利用二次氧化法制备了高度有序的多孔阳极氧化铝膜,以此膜为模板通过磁控溅射制备了多孔有序的Pt/Ag双层金属薄膜,将此金属薄膜转移到n型单晶硅片上,通过金属辅助化学刻蚀法刻蚀出有序单晶硅纳米线阵列.原子力显微镜和扫描电子显微镜观察发现,多孔阳极氧化铝膜及后续生长的多孔Pt/Ag双层金属薄膜都具有均匀分布、直径约45nm的纳米孔,以Pt/Ag双层金属薄膜为模板刻蚀得到的单晶硅纳米线具有与纳米孔同样的直径,且垂直硅衬底生长.     

催化金属薄膜对MOS结构MEMS氨敏传感器性能的影响

利用MEMS技术,在硅平面上经过热氧化、掺杂、溅射、光刻、清洗等工艺,制成MOS结构的氨敏传感器,并将双加热器和测温器集成于一体.该传感器的栅极是以Pd栅为主,同时修饰多种金属薄膜.通过研究修饰催化金属薄膜的种类以及薄膜的厚度对传感器的灵敏度和选择性的影响,结果表明:采用多种金属薄膜混合修饰栅极表面的传感器对氨气有较好的选择性和稳定性;催化金属薄膜厚度在10～30nm时,该传感器对氨气最敏感.     

BiFe0.98-xTi0.02ZnxO3薄膜结构与压电性能

采用金属有机分解法在ITO/玻璃衬底上制备出晶粒尺寸均匀且致密的BiFe0.98-xTi0.02ZnxO3薄膜。XRD结果表明,掺入适量Zn2+有助于薄膜(012)取向晶粒的生长。压电原子力显微镜测试结果显示,BiFe0.965Ti0.02Zn0.015O3薄膜具有最大的压电常数d33(123 pm/V),比BiFe0.98Ti0.02O3薄膜压电响应提高50%。     

LaNiO_3缓冲层对Ba_(0.5)Sr_(0.5)TiO_3薄膜微结构和介电性能的影响

利用射频磁控溅射法,在Pt/Ti/SiO2/Si和LaNiO2/Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜.采用X-ray衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM),研究了两种衬底上BST薄膜样品的结晶性和表面形貌.结果表明:BST薄膜材料均为钙钛矿相,直接生长在硅衬底上的BST薄膜无择优取向,晶粒尺寸为20～30 nm,而LaNiO2缓冲层上生长的BST薄膜则为(100)择优取向,晶粒尺寸约为150～200 nm.室温下测试了薄膜的介电性能.研究结果表明,LNO缓冲层显著提高了BST薄膜的介电常数和介电可调率.     

一种微型直接甲醇燃料电池的制作与测试

微型直接甲醇燃料电池(micro direct methanol fuel cell,μ-DMFC)具有发电效率高、环境污染少、安全、携带方便等优点,在小型民用电源和单兵携带电源上具有广泛的应用.讨论了微型直接甲醇燃料电池(micro direct methanol fuel cell,μ-DMFC)的特点,研究了运用微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺,设计并且制作μ-DMFC的过程.主要是运用MEMS 工艺制作μ-DMFC的流场板;制备膜电极(membrane electrode assembly,MEA);通过改进μ-DMFC的封装结构,采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)和金属夹具对μ-DMFC进行封装,有效地避免甲醇的渗漏;并且通过测试μ-DMFC的I-V特性,比较了不同封装结构下,μ-DMFC的电性能.实验结果表明,封装结构改进后的μ-DMFC,最大电流密度为14.82 mA/cm2,最大输出功率为0.661 mW.     

ZnO压电薄膜的生长与应用

本文实验研究了ZnO压电薄膜的生长与表征,运用XRD和SEM测试了磁控溅射生长的ZnO压电薄膜的C轴择优取向生长情况和晶粒质量,比较了Si、覆盖在Si基底上的Al薄膜和SixNy薄膜三种材料衬底以及退火处理对ZnO薄膜的结晶质量的影响。还开发了仍然采用Al作为底电极但用一层SixNy薄膜与ZnO层隔离的MEMS压电器件的微制造工艺,以满足生长高质量的ZnO压电薄膜并与CMOS工艺兼容的要求。