ZnO薄膜壓電微力傳感器-執(zhí)行器研究.pdf

1、用MEMS技術(shù)探索制作的懸臂梁式ZnO薄膜壓電微力傳感/執(zhí)行系統(tǒng)，具有微型化、靈敏度高，能實現(xiàn)傳感器/執(zhí)行器的功能集成以及系統(tǒng)智能化等諸多優(yōu)點。但是，由于懸臂梁式ZnO薄膜壓電微力傳感/執(zhí)行系統(tǒng)存在懸空結(jié)構(gòu)，有些工藝需要在高溫下進行，使壓電傳感器/執(zhí)行器與CMOS電路的集成制備存在很大的困難。本文以與CMOS電路工藝兼容的ZnO薄膜壓電微力傳感器/執(zhí)行器為研究對象，對ZnO壓電薄膜的制備及性能改進、傳感器/執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、與COMS電

2、路工藝兼容的器件制備以及器件的性能測試四個方面進行了系統(tǒng)的研究。 1．探索了溶膠-凝膠技術(shù)(Sol-Gel)制備ZnO壓電薄膜的方法。深入研究了Sol-Gel法的主要工藝參數(shù)對薄膜微結(jié)構(gòu)和電性能的影響規(guī)律，優(yōu)化了薄膜制備工藝參數(shù)，制備了致密、無裂紋的ZnO薄膜。由于Sol-Gel法制備的純ZnO薄膜電阻率低，無法作為壓電薄膜使用。本文采用摻Mn的方法，不僅將ZnO薄膜的電阻率提高了9個數(shù)量級，使薄膜滿足了作為壓電薄膜使用時的高電

3、阻性要求，而且將壓電薄膜的制備溫度降低為450℃。首次成功的采用Sol-Gel法制備了摻Mn的ZnO壓電薄膜，并基本解決了ZnO壓電薄膜與CMOS電路集成制備的溫度兼容問題。 2．設(shè)計了兩種類型的ZnO薄膜壓電微力傳感器/執(zhí)行器。 (1)設(shè)計了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)式壓電微力傳感器/執(zhí)行器，并建立了傳感器的力-電荷量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化模型，優(yōu)化了壓電微懸臂梁的Si層和ZnO薄膜的厚度，提高了器件的力-電荷量轉(zhuǎn)換效率。 (

4、2)設(shè)計了一種新型的體聲波諧振式微力傳感/壓電執(zhí)行集成系統(tǒng)，建立了傳感器的力。諧振頻率偏移轉(zhuǎn)換模型。與傳統(tǒng)式壓電微力傳感器/執(zhí)行器不同，此微力傳感/執(zhí)行集成系統(tǒng)，同時具備了靜態(tài)微力測量和壓電執(zhí)行功能。而且將傳感器和執(zhí)行器制作在同一層壓電薄膜上，避免了雙壓電層結(jié)構(gòu)式自激勵-自檢測壓電微力傳感/執(zhí)行集成系統(tǒng)通常存在的壓電層之間復(fù)雜的場耦合問題。 3．研究了基于Sol-Gel法制備 ZnO壓電薄膜技術(shù)的壓電微懸臂梁的微加工新工藝。通過

5、降低結(jié)構(gòu)支撐層的制備溫度，進一步解決了ZnO薄膜壓電微懸臂梁和CMOS電路集成制備的溫度兼容問題；采用剝離法制備上下電極和正反兩面干法刻蝕體硅加工釋放壓電微懸臂梁的技術(shù)，解決了集成制備過程中的K<'+>污染和腐蝕兼容問題；分析并解決了ZnO 壓電薄膜制備過程中，剝離法制備的Ti/Pt底電極反復(fù)起泡的關(guān)鍵技術(shù)難題。采用本文開發(fā)的微加工工藝，成功的制備了兩種壓電微力傳感器/執(zhí)行器，為將來壓電微懸臂梁和CMOS電路的集成制備打下了良好的工藝基