鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷材料相關技術與應用研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展及市場前景越來越好，對MEMS產品可靠性、經濟性、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動材料，也可以作為高靈敏度的傳感材料；同時作為一種鐵電材料，PZT還具有鐵電性、熱釋電效應、電光效應、聲光效應、光折變效應和其

2、他非線性光學效應等，在微電子和光電子等技術領域也顯示出十分重要的現實應用以及潛在應用的前景。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、更廣的應用。比如，溶膠-凝膠法制備PZT薄膜過程中，熱處理時間過長、效率較低；使用普遍的PZT薄膜底電極Pt其價格昂貴，與鈣鈦礦相鐵電體兼容性較差，長時間高溫熱處理使鐵電體界面出現擴散現象，易表現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用；滿足更高驅動能力的高質量PZT厚膜制備困難，實現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用過程中的若干問題，提出本論文的主要研究內容，包括以下幾個方面：
　　 1.在透明導電材料氧化銦錫(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電氧化物，具有電阻率低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在光電子、太陽能轉

4、換裝置等領域有著廣泛的應用。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，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等特性將能得到更好的發(fā)揮。
　　 2.設計、制作用于無閥微泵的PZT壓電厚

5、膜驅動器。
　　 微泵作為微流體系統(tǒng)中的關鍵部件之一，高效率、小型化、批量化等已經成為其發(fā)展趨勢，而使用PZT陶瓷作為驅動材料的壓電微泵相比于其他類型的微泵，具有結構簡單、響應時間快、驅動能力強、耗能低、無電磁干擾等優(yōu)點。針對目前壓電微泵驅動電壓普遍較高、不易于批量制造等局限，提出制作在較低驅動電壓下有較高驅動能力且響應頻率高的PZT厚膜驅動器。在分析壓電膜片驅動原理以及收縮/擴散口模型的基礎上，設計、制作了PZT壓電層厚度40

6、um的膜片式驅動器，并將其用于無閥微泵測試。測試表明，驅動器具有高的諧振頻率(29KHz)和較強的驅動能力(30Vpp-3.6um)，在高性能微泵中有廣泛的應用前景。
　　 3.利用飛秒激光加工技術實現對PZT陶瓷的燒蝕及圖形化。
　　 飛秒激光加工技術作為一種高精度的無掩模加工技術，具有真三維、亞微米級分辨率、熱影響小等優(yōu)點，在微細加工領域應用越來越廣泛。飛秒激光具有超短的脈沖時間(100fs)、超強的功率密度(101

7、4W/cm2以上)，能夠激發(fā)材料的雙光子/多光子吸收效應，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，利用燒蝕加工孔徑大小與能量密度的相互關系進行PZT燒蝕閾值的研究，通過毫焦(mJ)能量飛秒激光脈沖成功實現對PZT陶瓷的燒蝕，并在此基礎上，以適當功率和掃描參數飛秒激光實現對PZT壓電厚膜驅動進行了圖形化研究。通過對實驗結果的測試、分析可以得出，飛秒激光加工技術能夠滿足對PZT陶瓷的高精度