基于PZT材料的傳感器的研究進(jìn)展

摘要：對(duì)當(dāng)前基于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）薄膜微系統(tǒng)器件的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)PZT傳感器、PZT能量收集器、PZT驅(qū)動(dòng)器的研究進(jìn)展以及采用不同工藝PZT薄膜的制備技術(shù)進(jìn)行了闡述。對(duì)基于PZT薄膜微系統(tǒng)（MEMS）器件的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

0引言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）器件是各種功能器件的集合于一體的微型器件。在MEMS器件中，為實(shí)現(xiàn)不同功能，需選用不同的功能材料，壓電材料是MEMS器件的關(guān)鍵材料之一。隨著壓電材料在MEMS領(lǐng)域的不斷探索，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域有微型系統(tǒng)，鐵電存儲(chǔ)器和高頻電子器件。

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Pb-basedlanthanum-doped zirconate titanates，PZT）化學(xué)式為Pb（Zr11xTix）O3的二元系壓電陶瓷，屬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。PZT可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能（應(yīng)力、形變）和電能（電荷、電壓、電流）之間的雙向能量轉(zhuǎn)換。由于其特有的雙向壓電效用，使其成為智能MEMS傳感器的理想材料。結(jié)合MEMS系統(tǒng)中傳感和驅(qū)動(dòng)兩部分模塊，使壓電材料更適宜于MEMS領(lǐng)域。基于壓電效應(yīng)的MEMS傳感器有加速度計(jì)、聲傳感器、超聲換能器和執(zhí)行器包括微型馬達(dá)、微型泵等。

1 PZT薄膜在微系統(tǒng)器件中應(yīng)用

1.1 PZT傳感器

1993年日本京都大學(xué)的Lee C等人研究了PZT壓電薄膜力敏傳感器，該力敏傳感器采用溶膠—凝膠工藝制備PZT薄膜。PZT微懸臂梁通過(guò)外力產(chǎn)生形變，使懸臂梁發(fā)生振動(dòng)，再利用外加電壓使懸臂梁發(fā)生縱向位移。該壓電懸臂梁尺寸為200 μm × 50 μm。經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該結(jié)構(gòu)的彈簧常量為8.7 N/m，諧振頻率為72.5 kHz。

兩種不同結(jié)構(gòu)的微型加速度計(jì)示意圖如圖1所示。圖1( a)四梁結(jié)構(gòu)微型加速度計(jì)的敏感薄膜采用PZT薄膜材料，經(jīng)制作，該加速度計(jì)平行方向靈敏度為8 pC/g，垂直方向靈敏度為22 pC/g，首次實(shí)現(xiàn)單質(zhì)量塊3D加速度測(cè)量。圖1( b)是Trolier-McKinstryS小組研究設(shè)計(jì)的環(huán)形薄膜片結(jié)構(gòu)，這種環(huán)形薄膜片制作工藝簡(jiǎn)單，成品率高，傳感面積大，靈敏度高。靈敏度根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的不同可以達(dá)到（0.77 ~ 7.6） pC/g，諧振頻率35.3 ~ 3.7 kHz。

圖1 四梁結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電加速度計(jì)示意

敏感薄膜的厚度是影響薄膜材料電性能的關(guān)鍵因素，所以提出在制備多層結(jié)構(gòu)疊加的PZT薄膜。2018年劉揚(yáng)等人設(shè)計(jì)制作了一種柔性壓力傳感器，該柔性傳感器以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為柔性襯底，在其表面生長(zhǎng)一層氧化銦錫，將其圖形化成叉指電極結(jié)構(gòu)；制備PZT納米纖維薄膜，并轉(zhuǎn)移到PET襯底上；最后在PZT薄膜上制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜。PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品如圖2所示。該柔性傳感器在20 ~ 60 kPa內(nèi)，傳感器的開(kāi)路電壓隨壓強(qiáng)的增大而增大，最大約為10 V，其中靈敏度約為180 mV/kPa。

圖2 PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品

1.2 PZT能量收集器

Rajendra K S等人在2003年就在MEMS工藝的基礎(chǔ)上制備出了微型的壓電式能量收集器，可實(shí)現(xiàn)小型無(wú)線(xiàn)傳感器自供電功能，避免外接電源和斷電等問(wèn)題發(fā)生。如圖3所示。

圖3 壓電微能量收集器示意

該結(jié)構(gòu)諧振頻率為13.7 kHz，當(dāng)施加此頻率的外接激勵(lì)時(shí)，懸臂梁懸浮端可產(chǎn)生約為3 μm的縱向位移，此時(shí)輸出電能達(dá)1 μW，直流電壓達(dá)2.36 V，經(jīng)后續(xù)處理，產(chǎn)生的電能可存儲(chǔ)于電容中，用于為整個(gè)MEMS系統(tǒng)供電。

2010年日本的Morimoto K等人在（001）Pt /MgO襯底上外延生長(zhǎng)了（001）晶向的PZT薄膜，所制備的能量收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率得到很大提升。圖4為該壓電能量收集器的仿真結(jié)構(gòu)示意圖和樣品圖。

圖4 壓電能力收集器結(jié)構(gòu)和實(shí)物照片

該能量收集器的懸臂梁采用不銹鋼材料作為襯底，可提高輸出功率，降低共振頻率。利用刻蝕及成膜技術(shù)，在該不銹鋼表面制備（001）晶向的PZT薄膜。該敏感結(jié)構(gòu)的尺寸為20 mm × 5 mm × 50 μm，經(jīng)計(jì)算仿真，該結(jié)構(gòu)的諧振頻率為126 Hz，約為工作環(huán)境的固有頻率。當(dāng)外加激勵(lì)為5 m/s2時(shí)，并聯(lián)50 kΩ的輸出電阻，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換出5.3 μW功率的電能。

1.3 PZT驅(qū)動(dòng)器

Muralt P研究小組制作的超聲微馬達(dá)示意圖如圖5所示。該結(jié)構(gòu)采用濕法腐蝕、光刻、蒸發(fā)等MEMS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。PZT壓電敏感薄膜的上電極采用兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)電荷傳導(dǎo)。當(dāng)對(duì)壓電敏感膜施加外接電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，懸浮膜片發(fā)生振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，微馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。采用此方法制備的超聲微馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)是厚度薄，轉(zhuǎn)矩高，該結(jié)構(gòu)的微型馬達(dá)能產(chǎn)生0.3 μN(yùn)m/Vrms的轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)大于同尺寸的靜電微馬達(dá)。

圖5 壓電薄膜膜片式定子的超聲微馬達(dá)

2012年日本的Kanda K等人利用磁控濺射技術(shù)成功制備出了雙層PZT壓電薄膜微作動(dòng)器。從圖6( a)中可以看出兩層PZT薄膜結(jié)構(gòu)類(lèi)型一致。從圖6( b)中可以看出，在外加激勵(lì)電壓相同時(shí)，雙層PZT薄膜結(jié)構(gòu)的變形位移是單層PZT薄膜的2倍以上。因此得出結(jié)論，多層PZT薄膜疊加技術(shù)可實(shí)現(xiàn)MEMS器件的多層驅(qū)動(dòng)。

圖6 雙層PZT膜特性

2018年王歡等人設(shè)計(jì)了懸臂梁式壓電微驅(qū)動(dòng)器。為實(shí)現(xiàn)該微驅(qū)動(dòng)器的制備，材料上選用壓電性能良好的PZT材料；采用鍵合工藝，利用0.9 μm厚的Au層，將PZT材料與硅襯底鍵合；采用減薄工藝將PZT材料減薄至30 μm，再通過(guò)濕法腐蝕工藝完成微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的制作。最后利用準(zhǔn)分子激光器實(shí)現(xiàn)預(yù)制溝槽PZT薄膜。所制備的懸臂梁式微壓電驅(qū)動(dòng)器的大小尺寸為1450 μm × 300 μm× 69.8 μm。經(jīng)測(cè)試，該壓電微驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率為18.43 kHz。采用該方法制備的懸臂梁式壓電微驅(qū)動(dòng)器成品低、尺寸小，可批量生產(chǎn)。

2018年史平安等人設(shè)計(jì)了一種基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驅(qū)動(dòng)器，樣品如圖7所示。該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，輸出位移大。針對(duì)該結(jié)構(gòu)使用壽命較低問(wèn)題，提出采用數(shù)值模擬方法，研究對(duì)壓電層材料厚度等參數(shù)對(duì)為驅(qū)動(dòng)器性能的影響。經(jīng)研究，壓電材料的性能直接影響微驅(qū)動(dòng)器的性能。PZT-4作為壓電層時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性增強(qiáng)但驅(qū)動(dòng)響應(yīng)降低; 而當(dāng)選PZT-5和PZT-5H作為壓電層時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)但穩(wěn)定性降低。綜合以上因素，確定蟹爪梁結(jié)構(gòu)為最優(yōu)組合。

圖7 微驅(qū)動(dòng)器樣品

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，少數(shù)采用經(jīng)典紡絲技術(shù)及外延技術(shù)，但是隨著磁控濺射技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學(xué)校開(kāi)展了PZT磁控濺射技術(shù)方面的研究。

1.4 PZT磁控濺射技術(shù)

日本京都大學(xué)的Wasa K等人采用粉末靶材通過(guò)磁控濺射技術(shù)在（001）MgO制備了單c電疇的結(jié)構(gòu)壓電薄膜。所制備的壓電薄膜壓電耦合系數(shù)可達(dá)70 %。且該薄膜具有硬性鐵電性，機(jī)械品質(zhì)因子為185，與AlN相似。暗示了PZT薄膜有很大的應(yīng)用前景。

隨后，Wasa K教授在（001）MgO基片上生長(zhǎng)出面內(nèi)無(wú)缺陷的PMnN-PZT壓電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)薄膜，制備過(guò)程中選用100 nm的Pt和SrRuO3作為緩沖層。降溫過(guò)程不變。通過(guò)工藝的改變，制備的薄膜剩余極化強(qiáng)度達(dá)到100 μC/cm2，相對(duì)介電常數(shù)約100 ~ 450，其居里溫度達(dá)到了600 ℃，該溫度使所制備的PZT薄膜能夠適用于更多環(huán)境中。橫向壓電系數(shù)為-12.0 C/m2，與壓電晶體材料相似。這種無(wú)應(yīng)力的外延薄膜與塊體材料性能相近，使其在MEMS應(yīng)用中具有更高的潛力。

2015年愛(ài)發(fā)科開(kāi)發(fā)出不超過(guò)500 ℃的低溫PZT壓電薄膜濺射工藝。多腔濺射臺(tái)可以包含用于加速晶化的快速熱退火。愛(ài)發(fā)科使用低溫濺射工藝，在硅襯底上形成黏附層、下電極層、緩沖層（專(zhuān)有工藝）、壓電層和上電極層五層疊加的PZT壓電薄膜MEMS工藝技術(shù)。

壓電MEMS技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如用于陀螺儀、濾波器、噴墨打印機(jī)、MEMS揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)、自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器，以及超聲波換能器和指紋識(shí)別傳感器等MEMS產(chǎn)品中。一些代工廠也開(kāi)發(fā)了壓電薄膜制造技術(shù)，如Globalfoundries公司為Vesper公司代工量產(chǎn)MEMS麥克風(fēng)，研究AlN壓電MEMS技術(shù)；意法半導(dǎo)體（STmicroelectronics）公司為Usound公司代工量產(chǎn)MEMS揚(yáng)聲器，研究PZT壓電MEMS技術(shù)；博世公司在MEMS代工服務(wù)中采用愛(ài)發(fā)科的濺射設(shè)備沉積PZT、采用SPTS的Sigma PVD設(shè)備沉積AlN。

PZT壓電薄膜式未來(lái)傳感器和微系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，在麥克風(fēng)、微鏡、噴墨頭等領(lǐng)域已經(jīng)有商業(yè)化的產(chǎn)品，在軍用電子元器件的低功耗、微型化、集成化方面有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于PZT材料的傳感器的研究進(jìn)展。雖然該領(lǐng)域近年來(lái)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但仍然有很多關(guān)鍵技術(shù)需要更加深入的研究探索，如國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，但是隨著磁控濺射技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學(xué)校開(kāi)展了PZT磁控濺射工藝方面的研究。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)的進(jìn)一步研究探索和相關(guān)工藝的逐漸成熟以及傳感器領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，基于PZT材料的敏感器件將在傳感器及微系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。