PZT厚膜拾振器微图形化工艺研究

　　1　引言

　　PZT陶瓷、薄膜以及厚膜材料以其优异的热释电、压电和铁电、电光特性,在制备热释电探测器、微型驱动器、换能器、铁电存储器、光波导器等方面有着广泛的应用。其中PZT厚膜兼顾了体材料和薄膜材料的优点,比薄膜的压电效应更明显,驱动力更大,比体材料更容易与硅平面进行MEMS工艺结合。在20世纪90年代中期,PZT厚膜材料及器件就成为了研究的热点,已研制出许多硅基PZT微型器件。国外利用PZT铁电厚膜优异的压电性能,采用MEMS技术研制出硅基PZT铁电厚膜声纳换能器等构件[1-4]。拾振器作为一种测量振动的设备,其基本原理是将机械振动转化为电量,它包括电容式、感应式和压电式等方式,在地震监测、机组、桥梁、建筑物等安全监控以及医学的脉象诊断、血压监控等方面有着广泛的应用[5-7]。采用MEMS技术,设计了一种基于压电转换原理PZT厚膜的高性能拾振器微系统,以用于低频段振动测量,如道路、桥梁、大型机组、大型建筑物等的安全监控传感器网络。

　　在器件制备过程中,PZT膜及上下电极等敏感元部分的图形化是非常重要的一环。目前PZT膜及上下电极微图形化技术主要包括化学腐蚀法、等离子刻蚀法、反应离子刻蚀法、lift-off工艺等。本研究中采用化学腐蚀法对PZT膜进行刻蚀、离子轰击物理干法刻蚀对电极进行刻蚀,成功地实现了敏感元的微图形化,解决了传统工艺中存在的Pt/Ti下电极刻蚀难、制作的PZT膜形貌不好和上电极容易起壳等问题,为基于PZT厚膜的高性能拾振器微系统的研制打下良好的基础。

　　2　拾振器敏感元

　　微图形化工艺试验

　　基于PZT厚膜压电效应的拾振器微系统器件,其敏感元部分的剖面示意图如图1所示,其制备过程为:1)热氧化SiO ₂;2)淀积下电极Pt/Ti;3)sol-gel制备PZT厚膜^[5] (膜厚3μm);4)淀积上电极Pt/Ti;5)背面刻蚀Si形成微悬臂梁;6)将SU-8准LIGA工艺制备的Ni金属微质量块添加到悬臂梁尖端。该质量块对降低结构的固有频率起到非常重要的作用。结构制备完成之后在上下电极间施加直流电压对PZT进行极化。

　　2 .1　上下电极及PZT膜的制备

　　SiO2/Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Ti/Pt形式的敏感元结构的具体制备工艺过程如下:

　　(1)采用典型的半导体清洗工艺将双面抛光、双面氧化的(100)Si基片清洗干净;

　　(2)在基片SiO ₂层上先后沉积Ti膜和Pt膜,其中Ti金属膜主要起增强电极与基片结合力的作用,膜厚分别为:Ti膜30 nm,Pt膜300 nm。

　　(3)在SiO ₂/Si/SiO ₂/Ti/Pt基底上,利用新型sol-gel技术通过多层涂覆PZT薄膜形成厚膜。首先以2-甲氧基乙醇为溶剂,以醋酸铅、四丁氧基钛、异丙醇锆为溶质制备PZT先驱体溶液。在使用的PZT先驱体溶液中另外添加了摩尔百分含量为20%的富铅物,然后以3 000 r/min的转速涂覆在基底上,时间为20 s;再在300℃下进行2 min高温分解工艺。重复以上步骤,逐层进行,经过8次涂覆,得到1.6μm厚的膜层;最后在650℃下进行30 min快速热退火处理,得到纯钙钛矿相结构的PZT厚膜^[8] 。