基于MEMS技术ZnO压电薄膜力传感器研究

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氧化锌(ZnO)是一种六方纤锌矿型的II-VI族化合物半导体材料,具有宽带隙(.337eV)、高激子束缚能(60meV)以及良好的力学、电学、光学和压电特性。基于ZnO薄膜压电特性,本文采用MEMS技术在单晶硅衬底上研究、设计并制作ZnO压电薄膜力传感器,在硅悬臂梁上制作由底电极、ZnO压电薄膜和顶电极构成的压电结构,外力作用到悬臂梁自由端引起弹性形变,ZnO压电薄膜上下电极产生电荷输出,可实现外力测量。本文采用射频磁控溅射方法制备ZnO压电薄膜,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光光度计(UV-Vis spectrophotometer)、台阶仪(Step profiler)和X射线光电子能谱(XPS)等仪器对薄膜的微结构、表面形貌、禁带宽度等特性进行分析。通过研究溅射功率、氧氩比、沉积时间、退火温度以及Li掺杂等对ZnO薄膜特性的影响,在硅衬底上生长的ZnO薄膜具有较好的(002)择优取向,在其他制备工艺条件一定时,溅射功率增加,衍射峰强度增强;通过对玻璃衬底上生长的ZnO薄膜光学带隙分析,可得ZnO薄膜禁带宽度可达3.30eV。采用优化的制备工艺条件,制作Al/ZnO/Pt/Ti/SiO2/Si多层膜结构研究压电系数(d33),通过压电响应显微镜(PFM)测量给出,220W生长的5wt%Li掺杂ZnO薄膜d33为13.75pm/V,相同条件下纯ZnO薄膜d33为10.7pm/V。在此基础上,本文结合ZnO压电薄膜力传感器结构和特性仿真,采用MEMS技术、掩膜方法和内引线技术完成ZnO压电薄膜力传感器芯片制作与封装。采用扫描信号发生器、振动台和示波器等仪器搭建的测试系统,对ZnO压电薄膜力传感器进行特性测试,在量程为0μN-30μN时,传感器的固有频率为928.8Hz,灵敏度达5.553mV/μN。
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