發(fā)布時間：2017-07-19 20:21

  本文關鍵詞：鈮摻雜鋯鈦酸鉛薄膜驅(qū)動的壓電MEMS懸臂梁研究

  更多相關文章： 微機電系統(tǒng) 壓電式 懸臂梁 鈮摻雜鋯鈦酸鉛 鎳酸鑭

【摘要】：壓電式微懸臂梁是一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術,在硅片上制成的一端固定另外一端可以垂直于基底運動的微機械結(jié)構(gòu),復雜的MEMS傳感器和驅(qū)動器中具有重要的應用價值。本課題研究了一種利用LaNiO3(LNO)為下電極制備的Nb0.o2-Pb(Zro.6Tio.4)03(PNZT)薄膜驅(qū)動的壓電式MEMS懸臂梁,相比傳統(tǒng)的Pt下電極制備的PZT壓電薄膜具有更好的機電性能。 首先利用壓電理論對壓電式MEMS懸臂梁進行了動力學分析,并通過計算機有限元分析方法對壓電式MEMS懸臂梁進行了性能仿真分析,得到了壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關系。然后,分別采用了磁控濺射法和溶膠.凝膠法制備了LNO薄膜下電極和PNZT壓電薄膜。電學測試結(jié)果表明,LNO薄膜電阻率約為2mΩ·cm,導電性良好,適合作為電極材料。X射線衍射(XRD)表征結(jié)果顯示PNZT薄膜呈鈣鈦礦相結(jié)構(gòu),掃描電子顯微鏡(SEM)觀察結(jié)果表明PNZT薄膜表面平整、致密無裂紋,厚度約為1.31μm。鐵電性能測試結(jié)果顯示,PNZT/LNO薄膜剩余極化強度約為16.55μC·cm-2,平均矯頑電壓大小為4.7V,疲勞測試表明薄膜具有良好的疲勞強度。因此,本課題制備的PNZT/LNO薄膜符合制作壓電式MEMS懸臂梁的要求。進而,設計了壓電式MEMS懸臂梁的制作工藝,并采用濺射、光刻、刻蝕等MEMS微加工工藝與PNZT的溶膠.凝膠制備工藝相結(jié)合,對壓電式MEMS懸臂梁進行了加工制作,研究了PNZT/LNO薄膜的圖形化技術,并最終采用深硅刻蝕實現(xiàn)對懸臂梁結(jié)構(gòu)的釋放,完成壓電式MEMS懸臂梁的制作。最后,利用激光多普勒測振技術對制備的壓電式MEMS懸臂梁進行了振動模態(tài)分析,得到了不同尺寸的壓電式MEMS懸臂梁的振動頻譜曲線和不同模態(tài)下的模態(tài)振型圖,并對其機械品質(zhì)因子與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關系進行了分析。
【關鍵詞】：微機電系統(tǒng) 壓電式 懸臂梁 鈮摻雜鋯鈦酸鉛 鎳酸鑭
【學位授予單位】：北方工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH-39
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 緒論7-16
• 1.1 MEMS概述7-10
• 1.1.1 MEMS概念7
• 1.1.2 MEMS的特點7-8
• 1.1.3 MEMS的應用和發(fā)展8-9
• 1.1.4 MEMS加工技術和工藝9-10
• 1.2 壓電材料簡介10-12
• 1.2.1 壓電材料工作原理10
• 1.2.2 鋯鈦酸鉛簡介10-11
• 1.2.3 鎳酸鑭電極薄膜11-12
• 1.3 用于MEMS的壓電薄膜國內(nèi)外發(fā)展狀況12-14
• 1.3.1 ZnO12
• 1.3.2 AlN12-13
• 1.3.3 PZT13-14
• 1.3.4 鈮摻雜PZT薄膜(PNZT)14
• 1.4 本論文研究目的及意義14
• 1.5 本論文主要研究內(nèi)容14-16
• 2 壓電式MEMS懸臂梁理論分析與優(yōu)化16-31
• 2.1 PNZT壓電薄膜微懸臂梁的結(jié)構(gòu)設計16
• 2.2 壓電式MEMS懸臂梁的工作原理16-17
• 2.3 壓電方程17-20
• 2.4 壓電懸臂梁動力學分析20-22
• 2.5 壓電懸臂梁諧振分析22-23
• 2.6 壓電MEMS懸臂梁的有限元優(yōu)化分析23-30
• 2.6.1 壓電式MEMS懸臂梁有限元模型的建立23-25
• 2.6.2 壓電式MEMS懸臂梁的有限元靜態(tài)分析25-29
• 2.6.3 壓電式MEMS懸臂梁的有限元模態(tài)分析29-30
• 2.7 本章小結(jié)30-31
• 3 LNO電極和PNZT壓電薄膜的的制備、表征和性能測試31-40
• 3.1 LNO電極的制備、表征和性能測試31-33
• 3.1.1 磁控濺射裝置及其工作原理31-32
• 3.1.2 LNO薄膜的制備工藝流程和參數(shù)32-33
• 3.2 PNZT薄膜的制備、表征和性能測試33-39
• 3.2.1 PNZT薄膜的制備33-36
• 3.2.2 PNZT薄膜的表征和性能測試36-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 4 壓電式MEMS懸臂梁的制作工藝研究40-47
• 4.1 壓電式MEMS懸臂梁的工藝流程設計40-41
• 4.2 MEMS制作技術和工藝簡介41-43
• 4.2.1 光刻技術41
• 4.2.2 刻蝕技術41-43
• 4.3 壓電式MEMS懸臂梁的制作工藝43
• 4.3.1 LNO下電極薄膜的制備43
• 4.3.2 PNZT壓電薄膜的制備43
• 4.4 Pt上電極的制備43-44
• 4.5 PNZT和LNO薄膜的圖形化44-45
• 4.6 深硅刻蝕工藝45-46
• 4.7 本章小結(jié)46-47
• 5 壓電式MEMS懸臂梁的振動模態(tài)分析47-53
• 5.1 壓電式MEMS懸臂梁的振動模態(tài)測試原理及方法47-48
• 5.2 壓電式MEMS懸臂梁的振動模態(tài)測試48-52
• 5.3 本章小結(jié)52-53
• 6 結(jié)論53-55
• 參考文獻55-59
• 申請學位期間的研究成果及發(fā)表的學術論文59-60
• 致謝60

【參考文獻】

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本文編號：564727