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PSZT压电薄膜的制备，表征与应用

作　者: 陈会林
导　师: 崔岩
学　校: 大连理工大学
专　业: 工业工程
关键词: PSZT压电薄膜掺杂微悬臂梁微力传感器
分类号: TM22
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

锆钛酸铅（PZT）薄膜因为具有优良的电性能而受到广泛关注,特别是其作为微传感器件时的高灵敏度和作为驱动器件时的高输出应变特点使其成为微机电系统器件（MEMS）最有前途的候选材料之一。随着微观领域研究的深入发展,人们对研究微观领域的微传感器性能提出了更高要求。因此,需要改良压电薄膜的性能以适应这种需要。掺杂是改良薄膜综合性能的实用方法,本文制备并表征了Sr掺杂锆钛酸铅（PSZT）薄膜,制作了PSZT薄膜悬臂梁式微力传感器,并对其传感性能进行了测试。采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）法在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备了PSZT0,PSZT0.03,PSZT0.08压电薄膜,并通过原子力显微镜观察了三种PSZT薄膜的表面形貌。研究了三种预烧温度下PSZT0.08薄膜的XRD衍射图谱,低温预烧时薄膜呈现（111）择优取向,高温预烧时薄膜呈现（100）择优取向。对比三种PSZT薄膜的XRD衍射图谱,Sr掺杂改变了薄膜的择优取向和相含量,并使薄膜的晶格常数变小。根据三种PSZT薄膜的I-V特性曲线,Sr掺杂降低了PSZT薄膜的漏电流,且漏电流随薄膜厚度的增加而减小;分析了三种PSZT薄膜的介电常数频谱图和介电损耗频谱图,Sr掺杂后PSZT薄膜的介电常数明显增加,且薄膜的介电性能随薄膜厚度的增加而改善。在前期工作的基础上,优化了相关微加工工艺并制作了基于三种PSZT压电薄膜的悬臂梁式微力传感器。测试了基于三种PSZT压电薄膜的悬臂梁式微力传感器的弹性常数和灵敏度,基于PSZT0.03压电薄膜的微力传感器性能改善最为明显;测试了薄膜厚度分别为1.66um和2.19um的压电悬臂梁式微力传感器的弹性常数和灵敏度:后者弹性常数小,灵敏度高。增加压电薄膜厚度可以显著改善传感器的性能。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
1 绪论  9-16
  1.1 PZT薄膜的研究现状  9-11
  1.2 PZT薄膜的应用  11-15
  1.3 本文的研究意义及主要研究内容  15-16
2 PSZT压电薄膜的基本理论  16-28
  2.1 PZT薄膜的压电理论  16-19
    2.1.1 PZT薄膜的晶体结构特性  16-17
    2.1.2 压电效应  17-19
  2.2 PZT薄膜的掺杂改性理论  19-20
  2.3 PSZT薄膜的制备  20-23
    2.3.1 PSZT薄膜的制备技术  20-21
    2.3.2 溶胶-凝胶法制备原理  21-23
  2.4 PSZT薄膜性能的表征方法  23-26
    2.4.1 热重-差热分析  23
    2.4.2 原子力显微镜(AFM)  23-24
    2.4.3 X-射线衍射(XRD)  24-25
    2.4.4 I-V特性表征  25
    2.4.5 介电性能表征  25-26
  2.5 悬臂梁式压电微力传感器的性能  26-28
3 PSZT薄膜的制备与性能表征  28-43
  3.1 PSZT薄膜的制备  28-30
    3.1.1 PSZT胶体的配制  28-30
    3.1.2 PSZT薄膜的制备  30
  3.2 PSZT胶体的演化分析  30-32
  3.3 PSZT薄膜的表面形貌分析  32
  3.4 PSZT薄膜的XRD分析  32-37
    3.4.1 预烧温度对薄膜取向的影响  32-34
    3.4.2 Sr~(2+)掺杂浓度对PSZT薄膜择优取向性的影响  34-35
    3.4.3 Sr~(2+)掺杂浓度对PSZT薄膜晶格常数的影响  35-36
    3.4.4 Sr~(2+)掺杂浓度对PSZT薄膜相含量的影响  36-37
  3.5 PSZT薄膜的I-V特性  37-38
    3.5.1 厚度对PSZT薄膜I-V特性的影响  37-38
    3.5.2 Sr~(2+)掺杂浓度对PSZT薄膜I-V特性的影响  38
  3.6 PSZT薄膜的介电性能  38-42
    3.6.1 厚度对PSZT薄膜介电性能的影响  39-40
    3.6.2 Sr~(2+)掺杂浓度对PSZT薄膜介电性能的影响  40-42
  3.7 本章小结  42-43
4 微力传感器的制作与性能测试研究  43-57
  4.1 PSZT压电薄膜微力传感器的制作  43-50
    4.1.1 PSZT压电薄膜微力传感器的制作工艺流程  43-47
    4.1.2 绝缘层与底电极图形化工艺的优化  47-49
    4.1.3 压电薄膜腐蚀工艺的改进  49-50
  4.2 微力传感器的测试系统  50-52
  4.3 PSZT压电薄膜微力传感器的性能测试  52-55
    4.3.1 压电薄膜的厚度对微力传感器的性能影响  52-54
    4.3.2 不同PSZT薄膜对微力传感器性能的影响  54-55
  4.4 本章小结  55-57
结论  57-58
参考文献  58-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

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