MEMS兼容壓電厚膜驅(qū)動(dòng)技術(shù).pdf

1、微驅(qū)動(dòng)技術(shù)是研制MEMS執(zhí)行器的核心技術(shù)。MEMS兼容PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)技術(shù)是很有發(fā)展前景的微驅(qū)動(dòng)技術(shù)。論文對(duì)PZT壓電厚膜制備工藝；硅基PZT厚膜元件壓電驅(qū)動(dòng)特性的測試技術(shù)；硅基PZT厚膜壓電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；以及PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)無閥微泵的兼容工藝做了深入地理論與實(shí)驗(yàn)研究。
　　基于絲網(wǎng)印刷工藝實(shí)驗(yàn)研究了硅基PZT厚膜的成型技術(shù)，提出的退火套印方法可提高PZT厚膜的致密度。采用掃描電子顯微鏡及能譜分析儀對(duì)制備的PZT厚膜的成

2、分，結(jié)構(gòu)，及PZT與硅襯底間的互擴(kuò)散現(xiàn)象等做了測試、分析，優(yōu)化了硅基絲網(wǎng)印刷PZT壓電厚膜工藝，將PZT厚膜的燒結(jié)（多晶化）溫度最低降至800℃。
　　采用氧化、光刻、硅深刻蝕等MEMS技術(shù)和絲網(wǎng)印刷工藝制備了雙杯硅基PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，和分布式硅基PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。這兩種硅基PZT壓電厚膜結(jié)構(gòu)適合作為MEMS執(zhí)行器的片內(nèi)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，解決了壓電厚膜驅(qū)動(dòng)技術(shù)與MEMS技術(shù)兼容性差的問題。
　　在系統(tǒng)分析了現(xiàn)有壓電材料、

3、元件的壓電驅(qū)動(dòng)特性表征方法基礎(chǔ)之上，提出可用壓電常數(shù)d31′來表征硅基壓電厚膜元件的壓電驅(qū)動(dòng)特性。搭建了懸臂梁光學(xué)法測量系統(tǒng)，測量了硅基PZT厚膜元件的壓電驅(qū)動(dòng)特性常數(shù)，d31′為-77.4×10-12m/V。用浮力法測量得到PZT厚膜的體積密度為3592kg/m3。測試結(jié)果表明：研制的硅基PZT厚膜元件具有一定的壓電驅(qū)動(dòng)特性，絲網(wǎng)印刷PZT厚膜的體積密度較低。該測量技術(shù)也可用于其它壓電厚膜元件的測試研究中。
　　采用有限元分析軟

4、件ANSYS對(duì)硅基PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。比較了硅基壓電厚膜和銅基壓電陶瓷的靜態(tài)形變、模態(tài)頻率特性；優(yōu)化了雙杯硅基壓電厚膜元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；分析了膜片形狀、結(jié)構(gòu)，PZT厚膜在硅基片上的位置、分布等對(duì)硅基PZT壓電厚膜的靜態(tài)、模態(tài)驅(qū)動(dòng)作用的影響。模擬得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為硅基PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在微執(zhí)行器中的應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。
　　基于宏觀流體力學(xué)的孔口出流現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的新型PZT厚膜驅(qū)動(dòng)無閥微泵。

5、該泵采用雙杯硅基壓電厚膜作為驅(qū)動(dòng)元件，在驅(qū)動(dòng)元件上加載非對(duì)稱三角波時(shí)，微泵的入/出口溝道代替有閥微泵的進(jìn)/出口單向閥門，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體的整流。微泵制作工藝主要有：氧化，雙面光刻，硅深刻蝕，靜電鍵合，電化學(xué)打孔等MEMS技術(shù)和絲網(wǎng)印刷PZT厚膜工藝。經(jīng)初步測試微泵具有泵送特性。微泵研制工作表明絲網(wǎng)印刷PZT厚膜工藝與微泵制作工藝兼容，實(shí)現(xiàn)了PZT厚膜在微執(zhí)行器中的應(yīng)用。
　　另外，采用壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)元件對(duì)該無閥微泵性能進(jìn)行了測試