MEMS微拾振器制备工艺研究

　　拾振器作为一种测量振动的传感器件，在地震监测，机组、桥梁、建筑物等安全监控以及医学上脉象诊断、血压监控，振动能量采集等方面有广泛应用^[1~4]。按照所采用物理转换原理的不同通常可以分为电容式、电磁感应式和压电式。其中压电式为最常用。而且其结构简单，适合采用 MEMS 技术实现小型化、集成化、批量化加工。

　　PZT 是一种优异的压电材料，在制备微型驱动器、传感器等方面应用广泛。其中PZT 厚膜材料兼顾了体材和薄膜材料的优点，比薄膜的压电效应更明显、驱动力更大，而且比体材容易与硅平面微电子工艺结合，PZT 厚膜材料及器件成为研究的热点，许多硅基PZT微型器件被实现。国内外已经利用PZT 铁电厚膜的优异压电性能，采用MEMS 技术研制出硅基PZT 铁电厚膜声纳换能器等构件^[5~7]。

　　基于MEMS 技术，笔者研制了一种基于PZT 厚膜压电转换原理的悬臂梁型拾振器，并对其性能进行测试研究。

　　1 拾振器结构设计及制作工艺

　　1.1 结构设计

　　拾振器的基本原理是利用由弹性体——质量块组成 的机械系统，将外界机械振动能量转化为电信号。如图1 显示了其物理模型，该模型可以用数学表达为^[8]：

式中：z_i为环境振动输入到系统的能量;z_o是反映系统的输出;m 表示系统质量;b_e表示系统的电阻尼系数;b_m是系统机械阻尼系数;k 表征系统刚度的弹性系数。

　　拾振器工作时，外界环境振动能量传递到器件系统内，引发器件内部各部件之间的相对运动，从而引起压电材料的伸缩进而产生电信号。当拾振器的固有频率与外界振动频率一致或者接近时，传入器件系统内的振动能量最大，输出的电信号也随之最大。此时器件的灵敏度最佳。器件固有频率,因此调整影响器件质量和弹性相关的结构及尺寸就可以设计出适合具体应用条件（通常环境的振动频率在几十到几百Hz之间^[2]）的拾振器。悬臂梁结构以其形式简单，便于加工，弹性好，能量传递能力强，在MEMS器件中被广为采用。因此提出了如图2 所示的悬臂梁式拾振器结构。其中的 Ni 质量块主要起到调控质量、降低结构的固有频率量级的作用。

　　1.2 制作工艺

　　图3 显示了微拾振器的制作过程：(1)在清洗过的硅基片(含2 μm 表面氧化层)上溅射Pt/Ti 作为底电极。然后采用sol-gel 法制备PZT 压电膜：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摩尔分数为20%的富铅物，然后以3 000 r/min 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1.5 μm 厚的膜。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[9]。在制备好的PZT 膜上溅射顶电极Pt/Ti;(2)通过标准的光刻工艺对Pt/Ti/PZT/Pt/Ti/SiO2功能层进行图形化[10]：Ar 离子轰击对电极 Pt/Ti 进行刻蚀;PZT 厚膜化学刻蚀腐蚀液为 (BHF)， (HCl)， (H2O)分别为1%，25%，74%。BHF 溶液刻蚀 SiO2。(3)刻蚀硅槽以利于后期的硅悬臂梁释放，为防止KOH 湿法刻硅对PZT 功能层造成腐蚀，采用了RIE干法刻硅。(4)用夹具保护Pt/Ti/PZT/Pt/Ti 一侧，对背部进行体硅湿法刻蚀，刻蚀液为 40%KOH。同样为了防止KOH 渗入对PZT 层腐蚀，在硅片刻穿之前，存留10μm 硅层即停止湿法刻蚀。(5)采用 RIE 干法刻蚀刻穿预留的10μm Si 层以释放悬臂梁。(6)采用UV—LIGA 的SU—8 胶工艺制备Ni 质量块[11]，添加到悬臂梁的尖端。