基于PNZST反铁电薄膜的悬臂梁式MEMS驱动器研究

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由于在电场作用下产生的电致伸缩应变效应,反铁电薄膜具有应变程度大,响应时间短,驱动力大等优点,可以明显提升MEMS驱动器的性能。本论文基于反铁电薄膜的独特性质,提出一种使用(Pb0.99Nb0.02)[(Zr0.85Sn0.13Ti0.02)]0.98O3(PNZST)反铁电薄膜作为驱使器件运动的材料的反铁电悬臂梁式MEMS驱动器。并对该驱动器的本构关系进行理论分析,而后通过制备PNZST反铁电薄膜,研究了反铁电薄膜在不同底电极上的微结构、储能性能等特性。最后,结合MEMS工艺,完成反铁电悬臂梁式MEMS驱动器的制作,并且对它的性能进行测试。实际制作流程为运用射频磁控溅射(RF)的方法,将LaNiO3(LNO)下电极溅射在硅基底上,然后采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,将PNZST反铁电薄膜制备在LNO/Si和Pt/Ti/SiO2/Si基底上,对它们进行表征和性能测试分析。X射线衍射仪(XRD)表征结果表明,在这两个膜中都清楚地观察到了(001)/(100)衍射峰的取向。但是,发现(002)/(200)峰的分裂在两薄膜中都不显着,这表明薄膜中可能同时存在铁电菱形相(FR(LT))。原子力显微镜(AFM)测试显示PNZST/LNO平均粗糙度和晶粒尺寸分别为3nm和52nm左右,PNZST/Pt为2.5nm和51.8nm,表面都不算粗糙,晶粒大小尺寸相差不大,底部电极对于薄膜表面形貌的影响很小。铁电测试表明LNO衬底上的反铁电薄膜的铁电回线更接近反铁电而Pt则接近铁电体,然后研究了两种基底对于PNZST薄膜的介电性能,储能性能等性能的影响。通过MEMS器件集成制作工艺完成了反铁电悬臂梁式MEMS驱动器的制作,通过测试设备对其进行测试分析,频率响应特性测试结果表明750mm梁长,200mm梁宽时谐振频率为21.38kHz,振型良好。通过理论分析可以得出反铁电悬臂梁式MEMS驱动器的杨氏模量为33.7GPa。品质因子Q为667,表明此驱动器的能量损失与消耗的量较小。驱动电压与尖端位移测试表明,在谐振频率下,相变前尖端位移随驱动电压呈非线性增长,相变后几乎不随驱动电压变化,此时尖端位移保持在约为0.91mm,且剖面上各个点的位置偏移量随悬臂梁长度和交流电压增大。而在低频时尖端位移与变化率都明显减小,表明该驱动器在低频状态下,尖端位移变化线性度较好,与本构关系理论分析结果可以相互印证。
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