| 题名 | 压电薄膜及硅微压电换能器的研究 |
| 作者 | 李俊红 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-07-31 |
| 授予单位 | 中国科学院声学研究所 |
| 授予地点 | 声学研究所 |
| 关键词 | ZnO薄膜 PZT薄膜 图形化 微压电传声器 微压电超声换能器 |
| 学位专业 | 信号与信息处理 |
| 中文摘要 | ZnO和PZT薄膜是两种最主要的声学换能材料，由它们构成的硅微换能器是一种重要的声学MEMS器件。相对硅微电容式换能器，压电换能器具有不需要偏置电压、加工工艺简单、低阻抗等优点，但灵敏度比较低。本文正是以制备高压电性能的薄膜和提高压电换能器的灵敏度为目的，对ZnO和PZT薄膜的制备及图形化、硅微压电传声器、硅微压电换能器进行了系统的研究。 采用磁控溅射设备制备了ZnO薄膜，研究了不同衬底种类、气体比例对薄膜性能的影响，最终制备的薄膜具有高度的C轴择优和良好的微观结构，其电阻率高达2.28×109Ω•cm，并且具有较好的表面粗糙度。在此基础上设计并研制了方形ZnO/Si3N4/LTO/Si3N4复合振动膜硅微压电传声器。最终研制出的传声器在基准频率1000Hz处，传声器的灵敏度为-60dB (ref.1V/Pa), 即1mV/Pa。在以上研究的基础上，使用了分割式串联电极的技术，使灵敏度有了3-6dB左右的提高，在整个频率段内，灵敏度普遍高于-57dB，从目前来看,相对其他研究者，我们所研制的压电传声器的性能是最好的。另外，设计并研制了两种结构的圆形ZnO/Si3N4/LTO/Si3N4复合振动膜硅微压电传声器膜，实验结果表明：圆形振动膜结构，可以彻底避免方形振动膜的四角应力集中，提高传声器的成品率。最终研制的传声器在基准频率1000Hz处，传声器的灵敏度为-70dB (ref.1V/Pa), 即0.3mV/Pa。 利用溶胶-凝胶法制备了PZT薄膜，系统研究了不同热处理工艺对PZT薄膜取向的影响，最终通过不同热处理工艺制备了具有（100）、（110）、（111）三种不同择优取向的PZT薄膜，结果表明：形核能和晶体长大所需能量是左右取向的两个重要因素。采用多层退火，PZT薄膜容易沿（110）方向生长，较低温度的单层退火薄膜容易沿（100）方向生长，而（111）和（110）方向的薄膜生长容易出现在较高温度的单层退火工艺中，对薄膜的纵向压电常数d33进行了初步测量，结果显示其d33常数在100pC/N以上，具有良好的压电性能。 对PZT薄膜和Pt/Ti电极的图形化进行了系统研究。首次提出了ZnO作为牺牲材料的高温剥离技术，使用这种剥离技术图形化电极，电极以及其上的PZT的晶体质量都比较高，并且能较为彻底的解决了Pt/Ti电极在PZT沉积过程中的剥落问题；首次提出了ZnO牺牲层剥离技术图形化PZT薄膜的方法，这种方法一方面避免了HF、硝酸等强酸的使用，提高了工艺的兼容性，并避免了电极在腐蚀PZT的过程中剥落，同时有效防止了无Pt/Ti电极区域的PZT及其下基底膜的开裂，使器件外围电路的制备变得相对容易。 在此基础上设计并研制了PZT基方形振动膜压电超声换能器，并对其制备工艺进行了研究,采用硼扩散的方法对振动膜中Si的厚度进行了控制，利用Au/Cr代替SiO2作为体刻蚀掩膜层取得了好的效果。 对器件进行了系统测量，包括测量在空载和负载下的谐振频率、导纳阻抗曲线、有效耦合系数、接收和发射灵敏度。研制的PMUT其谐振频率在300KHz左右，整个换能器的有效耦合系数为0.12,在水中的接收灵敏度-218dB（ref.1V/mPa) ,发射灵敏度139dB(ref.1mPa/V)。 此外，对圆柱形PMUT进行了理论分析，给出了完整解，以及相应的等效电路，并导出空载和水负载下谐振频率、有效耦合系数、接受和发射灵敏度。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-05-07 |
| 页码 | 154 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://159.226.59.140/handle/311008/196]  |
| 专题 | 声学研究所_声学所博硕士学位论文_1981-2009博硕士学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李俊红. 压电薄膜及硅微压电换能器的研究[D]. 声学研究所. 中国科学院声学研究所. 2009. |
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