压电微能量采集器PZT厚膜制备及其图形化研究

采用环氧树脂作为中间层的真空键合技术实现体材PZT与硅片键合,再利用机械化学抛光方法将PZT减薄到适当的厚度制备了PZT铁电厚膜,构成了SiO2/Si/SiO2/Epoxy/Ag/PZT/Cr/Cu形式的压电能量采集器悬臂梁结构。基于半导体光刻技术,通过湿法化学刻蚀和切片两种方法实现了PZT厚膜图形化问题,为基于体材PZT厚膜的高性能压电能量采集器的研制打下了良好的基础。     

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF2HCl4NH4 Cl4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的也.横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2/μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.     

集成工艺中湿法刻蚀对锆钛酸铅性能的影响(英文)

通过将溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(PZT)在非晶态和多晶态进行刻蚀,对比未经刻蚀的PZT性能,研究了集成工艺中湿法刻蚀造成极化和耐久性能退化的机理.PZT的结晶图谱和表面形貌分析发现,湿法刻蚀中产生的非铁电成分由于具有较小的介电常数,降低了铁电材料上分担的有效测试电压,导致刻蚀后PZT极化能力的降低.未刻蚀的PZT翻转1011次后极化值损失约3%,而刻蚀后极化值减小量大于5%.随着尺寸的减小,耐久特性的降低更为明显,100μm×100μm的PZT极化值减小量约为500μm×500μm样品的3倍.高温过程中由于湿法刻蚀而产生的缺陷和空隙在PZT内部重新分布,外加电压下有更多的电子被缺陷和空隙束缚而产生内建电场并钉扎铁电畴,不同器件尺寸的PZT内部缺陷和空隙浓度的变化不同,导致耐久特性随PZT器件尺寸而不同.利用压电特性参数与极化强度的关系,可以解释湿法刻蚀对压电特性造成损伤的原因.     

以溶胶-凝胶法PZT薄膜为驱动的微泵研制

采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备技术制作了Pb(Zr,Ti)O3(PZT)压电薄膜,并以PZT薄膜为驱动制作了微泵.采用了V型微阀的微泵主要利用PZT的压电效应.针对微泵的关键结构--复合驱动膜,探索了一种Si/SiO2/Ti/Au/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构制备方法,解决了在硅基底上制备PZT薄膜的问题,同时探讨并解决了硅各向异性刻蚀微泵的微驱动腔、单向阀的工艺问题,并通过SEM照片对V型阀和多层驱动膜进行了表征.研究结果表明,采用MEMS技术成功地完成了微驱动器的研制,得到的驱动腔硅杯平坦均匀.在V型阀微泵整体设计中需要的硅片数目少,降低了器件的复杂性,可以满足功耗低、小型化和批量生产的要求.     

MEMS集成应用的纳米结构PZT厚膜形成工艺研究

提出了制备PZT厚膜的一种新的旋转涂覆方法.采用0-3复合法将PZT溶胶与PZT纳米粉混合形成浆料,并与PZT溶胶交替涂覆在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上,使PZT厚度达2μm,并且使PZT表面质量得到了改善.利用XRD和SEM对PZT厚膜的组织和结构进行了表征.得到的薄膜无裂纹,结晶和表面平整度良好,可用于MEMS中微型传感器和微型驱动器的制作.     

基于锆钛酸铅薄膜的变形镜微致动器

以锆钛酸铅（PZT）薄膜作为驱动材料,制备了变形镜的微致动器阵列．使用有限元软件对致动器进行了模拟仿真,得到了驱动器上电极尺寸、Si弹性层厚度等参数对致动器性能的影响,获得了最优化的致动器结构．以钙钛矿相的镍酸镧（LNO）作为PZT薄膜在Pt衬底上生长的缓冲层,增强了PZT薄膜的（100）取向,减小了PZT薄膜的内部应力,提高了致动器的驱动性能．最终制备出的1μm厚PZT薄膜驱动的变形镜微致动器,在10V直流电压的激励下,具有2．0μm的变形量．以PZT薄膜作为驱动材料制备的变形镜微致动器阵列,对变形镜致动器的微型化和系统集成度的提高具有重要意义．     

溶胶-凝胶法制作PZT微驱动器的研究

采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)制备了PZT压电薄膜,利用PZT的压电效应制作以PZT薄膜为驱动的V型阀微驱动器.针对微驱动器的关键结构驱动膜,探索了Si/SiO2/Ti/Au/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构制备方法,解决了在硅基底上制备PZT薄膜的问题,同时详细探讨了硅各向异性刻蚀微驱动器的关键部件驱动腔、单向阀的工艺,解决了集成制作的V型阀微驱动器的关键工艺问题,并通过SEM照片对V型阀和多层驱动膜进行了表征.研究结果表明,采用MEMS与IC技术结合的方法成功地完成了微驱动器的研制,得到的驱动腔硅杯平坦均匀.在V型阀微驱动器整体设计中需要的硅片数目少,降低了器件的复杂性,可以满足低功耗、小型化和批量生产的要求.     

PZT铁电薄、厚膜及其制备技术研究进展

铁电薄、厚膜材料具有良好的铁电、压电、热释电、电光及非线性光学特性,在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有许多重要的应用.近年来,随着铁电薄、厚膜制备技术的发展,PZT厚膜材料及厚膜器件成为科学工作者研究的热点.介绍了PZT铁电薄、厚膜材料与器件的研究进展以及PZT铁电薄、厚膜制备技术及几种典型的PZT铁电薄、厚膜材料制备技术的特点,并指出了目前存在的一些问题和未来的发展方向.     

水热处理对SnO2厚膜气敏传感器性能的影响

研完了水热处理对于SnO2厚膜气敏传感器性能的影响。为了便于作对比,首先把SnO2纳米粉（平均粒径约200nm）平均分为两份：一份不经处理,直接用传统的厚膜传感器制备工艺制成气敏传感器（称为“原粉传感器”）;另一份经过200℃水热处理后,用同样的工艺制备成厚膜气敏传感器（称为“预处理粉传感器”）。利用乙醇、丙酮、CH4、H2和CO气体对这两种气敏传感器的性能进行了测试,结果表明预处理粉传感器的灵敏度和选择性明显优于原粉传感器。为了分析出现这种差异的原因,我们对这两种传感器的显微结构进行了分析,并在此基础上对实验现象进行了讨论。     

PZT薄膜的MOCVD制备技术

采用直接液体榆运-金属有机化合物化学气相沉积技术（DLI-MOCVD）制备Pb（ZrxTi1-x）O3薄膜（PZT薄膜）,并进行了相关研究,通过调节MOCVD中影响PZT质量的主要工艺参数（温度、压力、系统的气体（Ar,O2）流量、衬底转速、蠕动泵速）,制备不同组分PZT薄膜（均匀性≥±95％,尺寸为2．54—20．32cm（1—8in）,厚度为50—500nm）．经XRD测试可见,PZT薄膜已形成钙钛矿结构．用SEM对其表面进行分析,结果表明,PZT薄膜表面致密均匀．     

体硅微机械湿法加工技术研究进展

湿法腐蚀技术成本低,是硅微机械(Micromachining)加工中最基础、最关键的技术。着重讨论了3种主要湿法技术的优缺点,概述了硅的各向同性存在侧向腐蚀、各向异性受晶格限制以及电化学腐蚀受图形尺寸限制的缺点和局限性,探讨了国内外研究现状和湿法腐蚀技术存在的问题及今后电化学腐蚀技术在湿法技术中的地位。     

用于微等离子体无掩膜刻蚀的微悬臂梁探针的设计和加工

设计了一种用于微等离子体无掩膜刻蚀加工的微悬臂梁探针结构,即将微等离子体放电器集成在SiO2悬臂梁探针端部的空心针尖上,等离子体从针尖处的纳米孔导出,以实现高精度、高效率的无掩膜扫描刻蚀加工.设计了该悬臂梁探针的加工工艺流程,即对(100)硅片进行各向异性湿法刻蚀得到倒金字塔槽,并双面氧化,然后依次沉积并图形化微放电器的上、下电极和绝缘层,最后背面释放出带空心针尖的SiO2悬臂梁,并加工出针尖尖端的纳米孔.成功制作出质量良好、具有很高成品率的带薄壁空心针尖的SiO2悬臂梁探针阵列及倒金字塔型微放电器.实验结果表明,该微放电器能在3～15 kPa的SF6气体中稳定放电,为悬臂梁探针阵列和微放电器的工艺集成以及Si基材料的无掩膜扫描刻蚀加工奠定基础.     

Anisotropic multi-step etching for large-area fabrication of surface microstructures on stainless steel to control thermal radiation

Controlling the thermal radiation spectra of materials is one of the promising ways to advance energy system efficiency. It is well known that the thermal radiation spectrum can be controlled through the introduction of periodic surface microstructures. Herein, a method for the large-area fabrication of periodic microstructures based on multi-step wet etching is described. The method consists of three main steps, i.e., resist mask fabrication via photolithography, electrochemical wet etching, and side wall protection. Using this method, high-aspect micro-holes (0.82 aspect ratio) arrayed with hexagonal symmetry were fabricated on a stainless steel substrate. The conventional wet etching process method typically provides an aspect ratio of 0.3. The optical absorption peak attributed to the fabricated micro-hole array appeared at 0.8 μm, and the peak absorbance exceeded 0.8 for the micro-holes with a 0.82 aspect ratio. While argon plasma etching in a vacuum chamber was used in the present study for the formation of the protective layer, atmospheric plasma etching should be possible and will expand the applicability of this new method for the large-area fabrication of high-aspect materials.     

基于硅与非硅复合方法的异平面空心微针制作

为了解决制备空心微针工艺复杂且成本高的问题,本文提出了采用湿法刻蚀、光刻和电镀结合的方法制备低成本空心金属微针.首先采用湿法刻蚀硅,得到280μm深的倒四棱锥锥坑;然后在锥坑上甩200μm厚的负胶SU-8填充锥坑,并通过曝光显影负胶形成微针的形貌;最后在曝光显影后的负胶上电镀50μm厚的镍得到所需形状的空心金属微针.用此方法制备的空心微针高度为350μm、壁厚为50μm,其针尖形状为三棱锥和四棱锥.通过有限元仿真分析微针强度与微针结构尺寸的关系.用此方法加工出的微针具有锥形尖,改善了刺入皮肤的效果.     

Anisotropic multi-step etching for large-area fabrication of surface microstructures on stainless steel to control thermal radiation

Abstract

Controlling the thermal radiation spectra of materials is one of the promising ways to advance energy system efficiency. It is well known that the thermal radiation spectrum can be controlled through the introduction of periodic surface microstructures. Herein, a method for the large-area fabrication of periodic microstructures based on multi-step wet etching is described. The method consists of three main steps, i.e., resist mask fabrication via photolithography, electrochemical wet etching, and side wall protection. Using this method, high-aspect micro-holes (0.82 aspect ratio) arrayed with hexagonal symmetry were fabricated on a stainless steel substrate. The conventional wet etching process method typically provides an aspect ratio of 0.3. The optical absorption peak attributed to the fabricated micro-hole array appeared at 0.8 μm, and the peak absorbance exceeded 0.8 for the micro-holes with a 0.82 aspect ratio. While argon plasma etching in a vacuum chamber was used in the present study for the formation of the protective layer, atmospheric plasma etching should be possible and will expand the applicability of this new method for the large-area fabrication of high-aspect materials.     

MEMS压印模板制作的刻蚀机理及尺寸控制方法

为了提高基于湿法刻蚀压印模板制作工艺中刻蚀图形尺寸的控制精度,研究了玻璃湿法刻蚀的反应动力学过程,得到刻蚀剂中（HF）2为决定反应速率的主要活性成分的结论;结合实验建立了合理的刻蚀速率模型．采用不同氢氟酸浓度的刻蚀液进行了实验,实测刻蚀速率与理论计算数值的对比结果表明模型预测精度达到96％以上．基于该模型刻蚀深度确定刻蚀时间进行了压印模板制作的实验,制作了图形特征尺寸为15μm、刻蚀深度为8μm的压印模板．对模板图形的测量结果表明,通过该模型预测的尺寸误差仅为0．05μm．     

Air gap type thin film bulk acoustic resonator fabrication using simplified process

In this study we propose a simplified process for making an air-gap-type film bulk acoustic resonator (FBAR) using the magnesium (Mg) sacrificial layer. The Mg sacrificial layer minimizes damage to other layers in the wet etching process because of its short etching time. Also the Mg sacrificial layer plays the role of etching aisle and air-gap simultaneous during the etching process. In addition, our proposed process can reduce the number of FBAR fabrication steps when compared with previous dry etching techniques. The FBAR's resonant frequency characteristics successfully show performance from 2.44 to 3.11 GHz.