基于MEMS的壓電超聲技術(shù)的研究.pdf

1、本文主要研究基于MEMS的壓電超聲技術(shù)，包括超聲檢測(cè)、超聲微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)和ZnO壓電薄膜材料及器件的研究，研究課題屬于當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)中較為前沿和創(chuàng)新的學(xué)科領(lǐng)域，如下所述： 1、超聲共振譜技術(shù)(Resonant Ultrasound Spectrum，簡(jiǎn)稱(chēng)RUS)是上個(gè)世紀(jì)九十年代發(fā)展起來(lái)的一種表征材料特性的方法，該方法成為現(xiàn)代超聲檢測(cè)的較為常用的技術(shù)手段，其測(cè)量的范圍廣泛，在MEMS領(lǐng)域內(nèi)，可用于微型器件的檢測(cè)。在RUS測(cè)量過(guò)程

2、中，試件樣品通常被夾在兩片壓電換能器之間，壓電換能器可以采用PZT或其他的壓電陶瓷或晶體。但是，因?yàn)閴弘娖砻媸枪饣?，試件難以準(zhǔn)確地夾在兩片壓電片中間并且保證每次測(cè)量裝夾的位置都一致，從而降低測(cè)量準(zhǔn)確性，尤其當(dāng)試件很小時(shí)，這種影響更為顯著。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的超聲檢測(cè)換能器結(jié)構(gòu)，并對(duì)它進(jìn)行分析。 通過(guò)與單獨(dú)PZT-4換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，PZT/Si復(fù)合結(jié)構(gòu)的靜力位移偏差很小，約為2％，其各階共振頻率與單獨(dú)

3、PZT-4相差不大，這些分析表明本文所設(shè)計(jì)的PZT/Si復(fù)合壓電換能器的工作靈敏度受影響微小，可以用于超聲共振譜的測(cè)量當(dāng)中。最后利用MEMS技術(shù)制造出了該復(fù)合換能器件的初步結(jié)構(gòu)。 2、微流體技術(shù)是MEMS領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展迅速的一門(mén)學(xué)科，其應(yīng)用廣泛，如DNA及一些生物分子的測(cè)試應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、噴墨打印以及LED、“芯片實(shí)驗(yàn)臺(tái)”和一些IC芯片等的散熱系統(tǒng)。在微流體學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)，利用超聲技術(shù)驅(qū)動(dòng)與操控微流體近幾年成為研究熱點(diǎn)，相比其他微流體技

4、術(shù)具有很大的研究?jī)r(jià)值和潛力。聲流是超聲應(yīng)用中較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，是聲波在流體介質(zhì)中傳播由于流體黏性而衰減產(chǎn)生的非定向流動(dòng)，超聲流作為高頻聲波在流體中的傳播，可以驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)。超聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷氧化鋅拓展使得超聲流的應(yīng)用研究也越來(lái)越廣泛，隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，所制造的微裝置尺寸越來(lái)越小，聲流在微管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不同于傳統(tǒng)的管道，當(dāng)前有大量的關(guān)于聲流應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究，卻缺乏對(duì)于微尺寸管道內(nèi)聲流的系統(tǒng)理論分析，因此很有必要進(jìn)行微管道內(nèi)聲流的研

5、究。 本文對(duì)設(shè)計(jì)的MEMS微流體裝置中微管道內(nèi)聲流進(jìn)行系統(tǒng)的研究，即利用PZT壓電片激勵(lì)MEMS微流體裝置，使得聲波在管道內(nèi)傳播，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力引起微管道內(nèi)部聲流的運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，對(duì)聲波在管道內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生的聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力和聲流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。通過(guò)分析可以得到振幅為10nm，聲波頻率為200KHz～1MHz時(shí)，流速可達(dá)到1～9mm/s。根據(jù)這些分析，我們可以利用超聲方法對(duì)MEMS微流體裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制以便應(yīng)用在粒子輸送和

6、微管道冷卻等方面。 3、ZnO作為壓電薄膜具有較低介電常數(shù)和較高的機(jī)電耦合系數(shù)，可用于MEMS麥克風(fēng)、微加速度傳感器以及體聲波共振器件等微傳感和執(zhí)行器件中，在MEMS領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，為了滿足壓電超聲技術(shù)中超聲波的激勵(lì)需求，本文研究在不同材料襯底上利用磁控濺射法生長(zhǎng)高質(zhì)量ZnO作為壓電薄膜，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜器件微制造與IC工藝的兼容，本文還在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮利用Al材料作下電極的壓電器件的加工工藝。 實(shí)驗(yàn)

7、中采用了磁控濺射法在不同襯底上生長(zhǎng)厚約1～2μm的ZnO薄膜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品進(jìn)行XRD和SEM測(cè)試，來(lái)研究磁控濺射過(guò)程中工藝參數(shù)、襯底及退火工藝對(duì)ZnO薄膜質(zhì)量的影響，從而獲得制備高質(zhì)量薄膜的工藝技術(shù)以滿足壓電性能的要求。結(jié)果表明，表面沉積SixNy薄膜的硅片上生長(zhǎng)的ZnO薄膜比表面濺射鋁膜的硅片上的C軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)特性好，選擇合適的退火處理工藝可使晶體質(zhì)量有所改善。在此基礎(chǔ)上，為了能夠與CMOS工藝兼容，開(kāi)發(fā)了仍然采用Al作為底電極但