基于硅基反铁电厚膜场致应变效应的微驱动构件结构设计与制造

摘要

利用反铁电材料电场诱导反铁电-铁电（AFE-FE）相变的快速开关特性和大场致应变效应，实现反铁电功能材料与MEMS技术的集成，给快速响应、大行程微执行器的设计开发带来新的思路。
　　本文采用溶胶-凝胶（Sol-gel）工艺技术，在Si/SiO2/Ti/Pt（111）衬底上控制生长厚度约为3um的(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)反铁电厚膜。建立硅基底和PLZT双层梁结构简化理论模型，以材料力学、弹性力学相关理论为依据，完成应变-应力之间的转换。利用有限元分析软件ANSYS11.0对微悬臂梁微结构进行静态分析、模态分析、谐响应分析，并对其进行优化设计，得到效应最优尺寸的微悬臂梁结构。
　　结合MEMS体硅加工工艺和表面微加工工艺，主要包括PLZT反铁电厚膜湿法刻蚀工艺、底电极（Pt）的反溅射工艺、硅基底的ICP干法刻蚀工艺、上电极（Au）溅射工艺以及键合工艺等，并对加工工艺版图进行设计，利用设计的整套工艺加工出位移行程达数十μm量级的微悬臂梁驱动构件。
　　基于白光干涉和激光多普勒技术，采用德国POLYTEC公司生产的微系统测试分析仪MSA-400对反铁电厚膜微悬臂梁结构在静态和动态电场激励信号作用下的反铁电-铁电相变应变特征进行测试，分析了频率与微悬臂梁振动状态、弯曲行为之间的规律，为基于反铁电功能材料的微驱动构件在新型微执行器中的应用提供理论依据和技术指导。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的研究的主要内容

第二章 硅基反铁电厚膜微驱动构件实现原理及结构设计

2.1 反铁电材料的基本特征及其在外场下的工作原理

2.2 悬臂梁力学特性工作原理

2.3悬臂梁结构参数设计

2.4微悬臂梁结构的有限元仿真分析

2.5 本章小结

第三章 硅基反铁电厚膜微驱动构件加工制造

3.1 悬臂梁结构的版图设计

3.2 悬臂梁结构加工工艺

3.3 本章小结

第四章 硅基反铁电厚膜微驱动构件测试分析

4.1 多普勒激光测振原理

4.2 微悬臂梁结构的静态加压实验

4.3 微悬臂梁结构的频响特性实验

4.4 本章小节

第五章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间相关研究成果

致谢