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【摘要】 基于微机电系统(MEMS)技术的面内横向微驱动器是一种能够在面内产生水平运动的微型驱动器,具有面内范围限制小、扩展性强、易于单片集成等优点。压电式MEMS面内横向运动驱动器具有输出力/位移大、响应速度快、工作频率高、控制精度好等优点,在高性能驱动器和传感器领域具有重要的应用价值。本课题设计一种压电式MEMS面内横向微驱动器,运用压电驱动机制理论,分析了横向压电驱动原理和驱动机制,研究了驱动器的运动学和动力学行为,建立了结构参数与MEMS横向驱动器性能之间的数学模型；结合有限元方法,验证了理论分析模型,研究关键结构参数对MEMS横向驱动器性能的影响,获得结构参数与性能之间的关系和优化的结构参数。采用溶胶-凝胶法分别在SiO2/Si(100)和LaNiO3(LNO)/SiO2/Si(100)衬底上制备LNO下电极薄膜和Nb0.02-Pb(Zro.6Tio.4)03(PNZT)压电薄膜,对其物相分析、微结构表征和电性能进行测试研究。X-射线衍射(XRD)分析结果表明,两种薄膜结晶良好,均呈钙钛矿相结构,PNZT薄膜在LNO薄膜上能够实现良好的生长,其中LNO薄膜呈110)择优取向,PNZT薄膜主要呈(012)、(104)、(202)晶面的衍射峰。扫描电子显微镜(SEM)表征结果显示LNO薄膜和PNZT薄膜表面均致密,晶粒尺寸分布均匀,PNZT薄膜和LNO薄膜的厚度分别约为1.6gm和600nm,薄膜厚度均匀,晶界明显,晶粒尺寸在纵向分布均匀,具有好的薄膜质量。四探针法测试得到LNO薄膜电阻率平均为1.34mΩ·cm,具有良好导电性,说明本课题制备的LNO薄膜能够作为下电极薄膜。PNZT/LNO薄膜的铁电性能显示,薄膜的最大剩余极化强度(Pr)为12.68μC·cm-2,矫顽场(Ec)平均值为38.56kV·cm-1。经过疲劳测试后,薄膜的铁电性能未出现明显下降,说明本课题制备出的薄膜样品铁电性能良好。设计并对压电式MEMS面内横向驱动器的制作工艺进行了研究。采用光刻、溅射和刻蚀等MEMS微加工技术并结合PNZT口LNO薄膜的溶胶-凝胶制备工艺,研究了压电薄膜微图形化和深硅刻蚀等工艺。通过对比PNZT薄膜的湿法刻蚀、干法刻蚀以及剥离(lift-off)工艺,得到干法刻蚀比湿法刻蚀精度显著提高,而lift-off工艺则可以实现更高精度的PNZT薄膜微图形。通过对比SF6与O2和SF6与Ar刻蚀气体不同工艺条件的深硅刻蚀结果,得到使用Ar代替02能够明显抑制侧向深硅刻蚀,提高深硅刻蚀的各向异性。
【关键词】 MEMS； 横向微驱动器； 压电式； 有限元仿真； 薄膜微图形化； 微加工制作；
摘要 3-4
ABSTRACT 4-5
1 绪论 8-19
1.1 MEMS概述 8-10
1.1.1 微机电系统(MEMS)及其特点、应用 8-9
1.1.2 MEMS加工工艺 9-10
1.2 压电特性与压电薄膜 10-13
1.2.1 压电效应与逆压电效应 10-11
1.2.2 PZT基压电薄膜 11-12
1.2.3 LNO导电电极薄膜 12-13
1.3 MEMS面内横向微驱动器国内外发展状况 13-17
1.3.1 静电式微驱动器 13-14
1.3.2 电热式微驱动器 14-15
1.3.3 电磁式微驱动器 15
1.3.4 压电式微驱动器 15-17
1.4 本论文研究目的及意义 17-18
1.5 本论文主要研究内容 18-19
2 压电式MEMS面内横向驱动器设计、分析与优化 19-36
2.1 压电式MEMS面内横向驱动器的结构设计 19
2.2 压电式MEMS面内横向驱动器的工作原理 19-20
2.3 压电式MEMS面内横向驱动器的理论分析 20-26
2.3.1 水平放大机构的运动学分析 20-21
2.3.2 水平放大机构的动力学分析 21-23
2.3.3 压电桥形梁的动力学分析 23-26
2.4 压电式MEMS面内横向驱动器的有限元与优化技术研究 26-35
2.4.1 有限元模型建立参数设置 26-29
2.4.2 压电式MEMS面内横向驱动器性能分析及优化 29-35
2.5 本章小结 35-36
3 硅基压电薄膜制备、表征及性能 36-47
3.1 LNO下电极薄膜的制备、表征和性能 36-40
3.1.1 LNO溶胶的制备 36-38
3.1.2 LNO薄膜的制备 38
3.1.3 表征与性能 38-40
3.2 PNZT压电薄膜的制备、表征和性能 40-45
3.2.1 PNZT溶胶的制备 41-43
3.2.2 PNZT薄膜的制备 43
3.2.3 表征与性能 43-45
3.3 本章小结 45-47
4 压电式MEMS面内横向驱动器的制作工艺研究 47-61
4.1 压电式MEMS面内横向驱动器工艺流程设计 47
4.2 压电式MEMS面内横向驱动器的制作工艺 47-59
4.2.1 PECVD法制备SiO_2薄膜 47-49
4.2.2 LNO和SiO_2薄膜图形化 49-52
4.2.3 PNZT薄膜图形化 52-55
4.2.4 上电极制备及深硅刻蚀工艺 55-59
4.3 本章小结 59-61
结论 61-63
参考文献 63-66
附录 66-89
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 89-90
致谢 90
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