压电材料的制备与压电微纳器件的研究

摘要

压电材料的响应速度快，灵敏度高，在各个领域拥有广泛的应用，而压电纤维与压电薄膜又有尺寸小，柔顺性能优的特点得到了大量的研究。本文主要研究了压电纤维与压电薄膜的制备过程，对获得的薄膜进行表征分析，确定成分，然后将压电材料应用到MEMS微纳米器件当中。本文的主要内容及创新点如下:
　　1.研究了静电纺丝法、溶胶凝胶法、溅射法制备的PZT压电薄膜。静电纺丝法制备了PZT纤维薄膜，实验设备自行搭建，采用了辅助电场以及平行板电极，并对改进的电场进行了对比仿真分析，自行搭建的电场在收集板附近电极更大，获得了取向较为一致的纤维，并对最终获得的薄膜进行了表征测试，结晶情况及表面情况都较好。溶胶凝胶法制备了PZT压电薄膜，并改进了制备工艺，能够高效的获得PZT膜，并且结晶情况很好，容易获得(110)晶向的PZT薄膜。溅射法制备了PZT压电薄膜，通过多次溅射的方法得到了压电薄膜，并且有效的解决了薄膜开裂的问题且结晶效果良好。2.静电纺丝法获得了PZT单根纳米纤维，并在此基础上建立了单根纳米纤维谐振器模型，利用MEMS工艺制作了纤维收集器。通过理论计算、仿真分析、阻抗分析仪测试获得了PZT单根纳米纤维谐振器的频率，且三个频率之间的对比结果较好。3.设计了三轴压电微加速度计的结构及微制作工艺过程。通过分析压电微加速度计的电荷灵敏度、电压灵敏度及谐振频率与结构参数的关系，对压电微加速度计的结构进行了优化分析，并设计了正反对称电极连接方式，能够实现三个方向加速度的检测，且不存在串扰。优化设计了三轴压电微加速度计的微加工工艺，提出来合理且简便的工艺过程，并在设计的基础上绘制了掩膜图形。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 压电材料简介

1．2．1 压电材料

1．2．2 压电材料的发展及应用

1．2．3 压电纤维及压电薄膜的发展情况

1．2．4．压电纤维及压电薄膜的制备方法

1．3 压电微纳器件的发展情况

1．3．1 压电谐振器的简介

1．3．2 压电微加速度计简介

1．4 本设计的研究内容及组织构架

第二章 压电材料的制备

2．1 压电材料PZT的简介

2．2 静电纺丝法制备PZT薄膜

2．2．1 溶液配制

2．2．2 实验装置

2．2．3 纺丝实验结果分析

2．3 溶胶凝胶法制备PZT薄膜

2．3．1 PZT薄膜的制备过程

2．3．2 PZT薄膜的表征

2．4 溅射法制备PZT薄膜

2．4．1 薄膜结晶分析

2．4．2 薄膜表面情况分析

2．5 本章小结

第三章 PZT纳米纤维谐振器的研究

3．1 微谐振器简介

3．2 PZT纳米纤维谐振器的模型及制备

3．3 PZT纳米纤维谐振器的理论

3．4 PZT纳米纤维谐振器的仿真与测试

3．5 本章小结

第四章 三轴压电微加速度计的研究

4．1 压电微加速度计的原理

4．2 理论与仿真分析

4．2．1 理论分析

4．2．2 仿真分析

4．3 加速度计的电极连接设计

4．3．1 设计原理

4．3．2 电极连接方式

4．4 三轴压电微加速度计MEMS工艺设计

4．4．1 MEMS加工工艺

4．4．2 工艺介绍

4．4．3 压电微加速度计的工艺设计

4．5 前期准备实验

4．5．1 腐蚀速率

4．5．2 凸角腐蚀与侧蚀情况

4．5．3 表面粗糙度情况

4．6 掩膜版设计

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢