《壓電薄膜技術(shù)》doc

1、壓電薄膜技術(shù)1壓電薄膜概述體材料（單晶和陶瓷）構(gòu)成的壓電器件因受尺寸限制，應(yīng)用頻率一般比較低，壓電薄膜可大大提高工作頻率。壓電薄膜兼有單晶和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)：即表面光滑致密，容易制造，價格低廉，便于調(diào)變，性能可靠穩(wěn)定。此外，使用薄膜，可以通過調(diào)節(jié)薄膜厚度，基片類型和電極形式來調(diào)整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使壓電器件到的平面化和集成化，使壓電材料與半導(dǎo)體材料緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)壓電與載流子、聲波與光波的相互作用，制成各種新型壓電與聲光的單片集成器件。一般壓電薄膜可以通過特殊方法實(shí)現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)工藝的結(jié)合，制造成為微機(jī)電系統(tǒng)意義上的微型傳感器和執(zhí)行器。此類微型傳感器貼在物體表面，在機(jī)器人上做觸覺傳感

2、器可感知溫度、壓力，采用不同模式可以識別邊角、棱等幾何特征，同時這用材料具有熱放電效應(yīng)，可用做溫度傳感器。目前，壓電陶瓷薄膜已經(jīng)在慣性器件、聲表面波器件等方面得到廣泛應(yīng)用，成為微定位、微驅(qū)動的主要解決方法。常見的壓電薄膜材料主要包括具有鐵電性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有鐵電性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。雖然鐵電薄膜的壓電效應(yīng)比非鐵電性壓電薄膜強(qiáng)，但使用較多的還是ZnO和AlN等非鐵電薄膜。該類非鐵電性壓電薄膜的始于1963年美國Bell實(shí)驗(yàn)室用CdS薄膜實(shí)現(xiàn)VHF和UHF頻帶的體超聲波換能器的研究成果。此后，1965年采用反應(yīng)濺射制備了ZnO壓電薄膜。1968年Wauk和Win

3、slow采用蒸發(fā)的方法在氮?dú)夂桶睔鈿夥罩姓翦兘饘貯l得到AlN壓電薄膜。1979年日本的Shiosaki采用射頻磁控濺射在玻璃和金屬基板上制備了性能較好的AlN壓電薄膜，其聲表面波機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)0.09%0.12%。20世紀(jì)70年代，CdS薄膜和ZnO薄膜已經(jīng)走向?qū)嵱没A段。AlN作為寬帶隙的直接帯隙半導(dǎo)體，是一種重要的藍(lán)紫光的發(fā)光材料。同時，因具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高熔點(diǎn)和高化學(xué)穩(wěn)定性、大的擊穿場強(qiáng)和低介電損耗，尤其是AlN與Si、GaAs等常用半導(dǎo)體材料的線膨脹系數(shù)相近及兼容性好等特點(diǎn)，AlN薄膜可用于高溫、高功率的微電子器件。此外，在所有無機(jī)非鐵電性壓電材料中，聲表面波沿AlN晶體c軸

4、方向的傳輸速率最大。因此，具有良好取向的AlN薄膜可用來制作優(yōu)良的聲表面波器件和體波器件。2壓電效應(yīng)簡介在電場作用下，晶體中的帶電粒子可以相對位移而發(fā)生極化。在應(yīng)力作用下，晶體中的帶電粒子也發(fā)生相對位移。對某些晶體，帶電粒子相對位移后正負(fù)電荷中心不再重合，因而發(fā)生極化，在其兩端表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，并且面電荷密度與應(yīng)力之間為線性關(guān)系。這種由機(jī)械應(yīng)力面產(chǎn)生表面電荷的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)就稱為壓電性。當(dāng)晶體受到電場作用時它的某些方向上出現(xiàn)應(yīng)變，且應(yīng)變與場強(qiáng)之間是線性相關(guān)的，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是由于晶體在機(jī)械力作用下發(fā)生形變，而引起帶電粒子的相對位移，使晶體的

5、總電矩發(fā)生變化而造成的。晶體是否具有壓電性是由晶體結(jié)構(gòu)的對稱情況決定的。若晶體具有對稱中心，它不可能具有壓電性；因?yàn)檫@種晶體中，正負(fù)電荷中心的對稱排列不會因形變而破壞。所以，機(jī)械力的作用不能使它發(fā)生極化。具有對稱中心的晶體，其總電矩始終為零，因而不可能具有壓電性。3結(jié)構(gòu)初探真空沉積的壓電薄膜通常是高度多晶的。各微晶間有程度不同的錯向。每個微晶就是一個小單晶。若所有微晶取向相同，并同相驅(qū)動時，則其壓電效用實(shí)質(zhì)上如同單晶。各微晶間的任何取向差，都會導(dǎo)致機(jī)電耦合系數(shù)降低，并同時產(chǎn)生縱波和橫波。若圍繞微晶的最佳取向，各微晶的無規(guī)偏向能以相互補(bǔ)償。這時，只是略為降低壓電耦合。若是從最佳取向，微晶的平均取

6、向有所偏離，將導(dǎo)致在薄膜中同時產(chǎn)生出縱波和橫波。因此，要得到具有優(yōu)良壓電性質(zhì)的壓電薄膜，結(jié)構(gòu)上必須保證：1) 各微晶基本上要取向相同；2) 各微晶的平均取向?qū)ψ罴讶∠虻钠x程度不能太大；3) 各微晶取向的分散程度不能過大。4介電性能淺析壓電薄膜的介電性能包括介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、電阻率和擊穿場強(qiáng)。因?yàn)槠浣殡姵?shù)影響壓電薄膜換能器的靜態(tài)電容量和分布電容量，所以要求介電常數(shù)要小。否則，壓電器件的性能，特別是其高頻性能將要顯著變壞。薄膜的介質(zhì)損耗是壓電器件插入損耗的一個組成部分，因而希望其介質(zhì)損耗要小。壓電薄膜的電阻率不但引起一部分介質(zhì)損耗，而且決定著薄膜的弛豫頻率，由于壓電器件的工作頻率要遠(yuǎn)高于弛豫

7、頻率，所以為了使壓電薄膜能用于各種壓電器件，特別是頻率不高的器件，要求它具有很高的電阻率。另外，弛豫頻率越低，才能越加顯示薄膜的壓電性能。因?yàn)閴弘姳∧さ暮穸纫话愣己鼙。詾榱吮ＷC器件的可靠性、特別是電壓較高的大功率器件的可靠性，要求薄膜有相當(dāng)高的擊穿場強(qiáng)。雖然壓電薄膜為單晶薄膜或者為擇優(yōu)取向的多晶薄膜，但在其中原子的堆積卻不像在晶體中那樣緊密和有序，因此，壓電薄膜的介電常數(shù)值與晶體的數(shù)值略有差異。除此以外，還有在薄膜中常有較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，以及測量上的原因，也導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)值不同于晶體的相應(yīng)數(shù)值。壓電薄膜的介電常量有相當(dāng)大的分散性，其原因在于內(nèi)應(yīng)力大小和測試條件不同，此外，成分偏離化學(xué)計(jì)

8、量比和薄膜厚度差也使其分散性增大。壓電薄膜的介電常數(shù)隨溫度、頻率的變化而發(fā)生明顯的變化，其中鐵電性薄膜的介電常數(shù)變化比較大。當(dāng)薄膜的結(jié)構(gòu)不夠致密時，它的介電常數(shù)還隨相對濕度的增大而有顯著的變化。因?yàn)殡娊橘|(zhì)的擊穿場強(qiáng)屬于強(qiáng)度參數(shù)，而且在薄膜中又難免有各種缺陷，所以壓電薄膜的擊穿場強(qiáng)有相當(dāng)大的分散性。按電介質(zhì)的擊穿理論，對于完好無缺的薄膜，其擊穿場強(qiáng)應(yīng)該隨薄膜厚度的減小而逐漸增大。但實(shí)際上，因?yàn)楸∧ぶ泻胁簧偃毕荩穸仍叫r缺陷的影響越顯著，所以在厚度減小到一定數(shù)值以后，薄膜的擊穿場強(qiáng)反而急劇變小。對薄膜擊穿場強(qiáng)，除了薄膜自身的原因外，還有測試時，電極邊緣的影響。由于薄膜越厚，電極邊緣的電場越不均

9、勻，所以導(dǎo)致隨薄膜厚度增大，其擊穿場強(qiáng)逐漸降低。此外，介質(zhì)薄膜的擊穿場強(qiáng)還依從于薄膜的結(jié)構(gòu)。對于壓電薄膜，其擊穿場強(qiáng)還與電場方向有關(guān)，也就是說，它在擊穿場強(qiáng)方面是各向異性的。由于在多晶薄膜中存在晶界，所以它的擊穿場強(qiáng)低于非晶薄膜。與此類似，擇優(yōu)取向的多晶壓電薄膜在晶粒取向方向的擊穿場強(qiáng)，比垂直該方向的擊穿場強(qiáng)低。和其它介質(zhì)薄膜一樣，壓電薄膜的擊穿場強(qiáng)還與一些外部條件有關(guān)，比如電壓波形、頻率、溫度和電極等。5壓電性能梗概為了使壓電器件和聲光器件達(dá)到薄型、量輕和小型化，特別是為了達(dá)到平面化和集成化，必須應(yīng)用壓電薄膜。因?yàn)轶w聲波壓電換能器的最重要的特性參數(shù)是諧振頻率、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)，所以對壓電

10、薄膜的聲速及溫度系數(shù)、聲阻抗和機(jī)電耦合系數(shù)要求特別嚴(yán)格。而薄膜的這些性能不但取決于薄膜內(nèi)晶粒的彈性、介質(zhì)、壓電和熱性能，而且還與壓電薄膜的結(jié)構(gòu)、如晶粒堆積緊密程度和擇優(yōu)取向等密切相關(guān)，因此，要得出體波性能優(yōu)異的壓電薄膜，除選用優(yōu)良性能的晶粒外，還要使用先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)。壓電介質(zhì)中的聲表面波具有以下特性：第一，聲表面波有三個方向的質(zhì)點(diǎn)位移分量，并且在一般情況下，這些質(zhì)點(diǎn)位移分量既不與波的傳播方向相同，也不與波的傳播方向垂直，因而質(zhì)點(diǎn)的位移軌跡比較復(fù)雜。第二，壓電介質(zhì)中聲表面波的速度是傳播方向的函數(shù)，并且波的相速和能量傳播速度方向不同。第三，質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨著離開介質(zhì)表面的距離的增大，迅速衰減，因

11、此聲表面波能量主要集中在表面以下的一兩個波長的范圍內(nèi)。6壓電薄膜的運(yùn)用簡述壓電薄膜廣泛運(yùn)用于各種存儲器件、傳感器件與換能器件以及光電子學(xué)器件。特別是在制備鐵電動態(tài)隨機(jī)存取存儲器、薄膜型室溫紅外探測器、薄膜型壓電馬達(dá)、超聲探測器、薄膜電容器和集成光波導(dǎo)器件等方面，壓電薄模已經(jīng)成為首選。6.1超聲換能器件采用壓電陶瓷和壓電晶體的超聲傳感器和換能器的上限工作頻率為100 MHz，實(shí)際上當(dāng)頻率超過10 MHz時，由于器件厚度太大，制造和使用上都不方便?，F(xiàn)代技術(shù)，如超聲顯微鏡、光聲技術(shù)等要頻率上限高達(dá)1 GHz的超聲傳感器及換能器。壓電薄膜在制備技術(shù)上的突破為滿足這一要求提供了可能。6.2在聲表面波器件

12、中的應(yīng)用聲表面波器件是利用叉指狀電極在壓電體中激發(fā)起沿著表面層傳遞的高頻超聲波?？捎糜趯?shí)現(xiàn)濾波、延時、脈沖的壓縮和擴(kuò)展、卷積等多種電子學(xué)功能。在通信領(lǐng)域中，濾波器、高頻振動器、卷積器、延遲線等都是聲表面波器件。6.3在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用傳感器和驅(qū)動功能是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的核心。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展要求其材料能對外界信號做出靈敏的響應(yīng)或輸出較大的應(yīng)力和應(yīng)變。壓電材料特別是鋯鈦酸鉛系的PZT壓電材料，具有顯著的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，在傳感應(yīng)用時具有高靈敏度和低電噪聲的特點(diǎn)，在驅(qū)動應(yīng)用時，具有很高的響應(yīng)速度和較大的輸出應(yīng)力，從而在微機(jī)電系統(tǒng)中處于重要地位。現(xiàn)有的壓電微機(jī)電系統(tǒng)器件有懸臂梁驅(qū)動器、原子力顯微鏡探針、超聲微馬達(dá)和微泵等。另外，利用PZT壓電薄膜良好的熱釋電性，還制造出氣體傳感器、火焰探測器和復(fù)雜的熱成像陣列等。6.4柔性復(fù)合壓電薄膜的應(yīng)用由于柔性復(fù)合薄膜材料具有高的水聲傳感靈敏度、高的機(jī)電耦合系數(shù)，低的聲阻抗和優(yōu)良的柔順性，可制成面積大、形狀復(fù)雜的制品。同時膜表面可沉積金屬化層，用光刻法在膜層上制成接收極和發(fā)射極，通過畫電極圖