鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷材料相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展及市場前景越來越好，對MEMS產(chǎn)品可靠性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等方面的要求越來越高，從而對MEMS中所用材料的性能也提出了更多的要求，對MEMS中各種微細(xì)加工方法也提出了更高精度、更高效率等方面的要求。鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷是MEMS中最為常用的功能材料之一，它不僅可以作為高性能的驅(qū)動(dòng)材料，也可以作為高靈敏度的傳感材料；同時(shí)作為一種鐵電材料，PZT還具有鐵電性、熱釋電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和其

2、他非線性光學(xué)效應(yīng)等，在微電子和光電子等技術(shù)領(lǐng)域也顯示出十分重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用以及潛在應(yīng)用的前景。目前，隨著PZT陶瓷制備方法的不斷發(fā)展，各種基于PZT陶瓷的MEMS微器件被成功開發(fā)出來。但是仍存在一些問題限制了PZT陶瓷更好、更廣的應(yīng)用。比如，溶膠-凝膠法制備PZT薄膜過程中，熱處理時(shí)間過長、效率較低；使用普遍的PZT薄膜底電極Pt其價(jià)格昂貴，與鈣鈦礦相鐵電體兼容性較差，長時(shí)間高溫?zé)崽幚硎硅F電體界面出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，易表現(xiàn)出明顯的疲勞特性以及其

3、不透光性限制了PZT薄膜在某些方面的應(yīng)用；滿足更高驅(qū)動(dòng)能力的高質(zhì)量PZT厚膜制備困難，實(shí)現(xiàn)PZT厚膜高精度、高效率的圖形化相對較難等。
　　 針對PZT陶瓷材料在制備及應(yīng)用過程中的若干問題，提出本論文的主要研究內(nèi)容，包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.在透明導(dǎo)電材料氧化銦錫(ITO)基底上制備高性能PZT鐵電薄膜。
　　 氧化銦錫(ITO)是一種重要的透明導(dǎo)電氧化物，具有電阻率低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在光電子、太陽能轉(zhuǎn)

4、換裝置等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文首先用磁控濺射等方法在Si/SiO2基底上沉積高性能ITO薄膜作為底電極材料；然后基于溶膠-凝膠法，加快熱處理速度，在ITO表面制備出性能優(yōu)異的PZT鐵電薄膜。其介電、鐵電性能都與Pt基底上制備的PZT薄膜相當(dāng)，且對其疲勞特性有明顯的改善作用。借助ITO薄膜優(yōu)異的光電特性，PZT鐵電薄膜優(yōu)良的鐵電、電光、光折變以及非線性光學(xué)等特性將能得到更好的發(fā)揮。
　　 2.設(shè)計(jì)、制作用于無閥微泵的PZT壓電厚

5、膜驅(qū)動(dòng)器。
　　 微泵作為微流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，高效率、小型化、批量化等已經(jīng)成為其發(fā)展趨勢，而使用PZT陶瓷作為驅(qū)動(dòng)材料的壓電微泵相比于其他類型的微泵，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時(shí)間快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、耗能低、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。針對目前壓電微泵驅(qū)動(dòng)電壓普遍較高、不易于批量制造等局限，提出制作在較低驅(qū)動(dòng)電壓下有較高驅(qū)動(dòng)能力且響應(yīng)頻率高的PZT厚膜驅(qū)動(dòng)器。在分析壓電膜片驅(qū)動(dòng)原理以及收縮/擴(kuò)散口模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、制作了PZT壓電層厚度40

6、um的膜片式驅(qū)動(dòng)器，并將其用于無閥微泵測試。測試表明，驅(qū)動(dòng)器具有高的諧振頻率(29KHz)和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力(30Vpp-3.6um)，在高性能微泵中有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 3.利用飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對PZT陶瓷的燒蝕及圖形化。
　　 飛秒激光加工技術(shù)作為一種高精度的無掩模加工技術(shù)，具有真三維、亞微米級(jí)分辨率、熱影響小等優(yōu)點(diǎn)，在微細(xì)加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。飛秒激光具有超短的脈沖時(shí)間(100fs)、超強(qiáng)的功率密度(101

7、4W/cm2以上)，能夠激發(fā)材料的雙光子/多光子吸收效應(yīng)，所以可以用來高精度的加工幾乎所有類型的材料。本文中以飛秒激光燒蝕材料的閾值模型作為理論基礎(chǔ)，利用燒蝕加工孔徑大小與能量密度的相互關(guān)系進(jìn)行PZT燒蝕閾值的研究，通過毫焦(mJ)能量飛秒激光脈沖成功實(shí)現(xiàn)對PZT陶瓷的燒蝕，并在此基礎(chǔ)上，以適當(dāng)功率和掃描參數(shù)飛秒激光實(shí)現(xiàn)對PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了圖形化研究。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測試、分析可以得出，飛秒激光加工技術(shù)能夠滿足對PZT陶瓷的高精度