1、测试计量技术及仪器专业毕业论文 精品论文 基于 MEMS 的压电超声技术的研究关键词：压电超声技术 超声检测 超声微流体驱动技术 氧化锌压电薄膜摘要：本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS 领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程
2、中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制
3、造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及 LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声
4、流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管
5、道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺
6、对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS压电器件的微制造工艺。正文内容本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技
7、术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS 领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4
8、换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及 LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中
9、较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本
10、理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制
11、造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与
12、 ZnO 层隔离的 MEMS压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因
13、为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如
14、 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统
15、理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风
16、、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积
17、 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一
18、种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4
19、 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可
20、以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为
21、200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了
22、磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检
23、测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确
24、性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的
25、散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统
26、的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足
27、压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合
28、适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，
29、可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共
30、振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的
31、不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流
32、体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，
33、来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的
34、学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它
35、进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大
36、的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内
37、部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，
38、同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al
39、作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用
40、PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS
41、领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实
42、验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高
43、的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术
44、以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称
45、 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用于微型器件的检测。在 RUS 测量过程中，试件样品通常被夹在两片压电换能器之间，压电换能器可以采用 PZT 或其他的压电陶瓷或晶体。但是，因为压电片表面是光滑的，试件难以准确地夹在两片压电片中间并且保证每次测量装夹的位置都一致，从而降低测量准确性，尤其当试件很小时，这种影响更为显著。针对此问题，本文提出并设计了一种新型的超声检测换能器结构，并对它进行分析。 通过与单独 PZT-4 换能器结构进行分析比较，PZT/Si 复合结构的静力位移偏差很小，约
46、为 2，其各阶共振频率与单独 PZT-4 相差不大，这些分析表明本文所设计的 PZT/Si 复合压电换能器的工作灵敏度受影响微小，可以用于超声共振谱的测量当中。最后利用 MEMS 技术制造出了该复合换能器件的初步结构。 2、微流体技术是 MEMS 领域内发展迅速的一门学科，其应用广泛，如 DNA 及一些生物分子的测试应用、环境监测、喷墨打印以及LED、 “芯片实验台”和一些 IC 芯片等的散热系统。在微流体学科领域内，利用超声技术驱动与操控微流体近几年成为研究热点，相比其他微流体技术具有很大的研究价值和潜力。声流是超声应用中较为常见的现象，是声波在流体介质中传播由于流体黏性而衰减产生的非定向流
47、动，超声流作为高频声波在流体中的传播，可以驱动流体运动。超声技术应用领域的不断氧化锌拓展使得超声流的应用研究也越来越广泛，随着 MEMS 技术的不断发展，所制造的微装置尺寸越来越小，声流在微管道内的运动不同于传统的管道，当前有大量的关于声流应用的实验研究，却缺乏对于微尺寸管道内声流的系统理论分析，因此很有必要进行微管道内声流的研究。 本文对设计的 MEMS 微流体装置中微管道内声流进行系统的研究，即利用 PZT 压电片激励 MEMS 微流体装置，使得声波在管道内传播，产生的驱动力引起微管道内部声流的运动。应用流体动力学的基本理论，对声波在管道内部传播时产生的声场驱动力和声流运动进行分析。通过分
48、析可以得到振幅为 10nm，声波频率为 200KHz1MHz 时，流速可达到 19mm/s。根据这些分析，我们可以利用超声方法对 MEMS 微流体装置进行驱动控制以便应用在粒子输送和微管道冷却等方面。 3、ZnO 作为压电薄膜具有较低介电常数和较高的机电耦合系数，可用于 MEMS 麦克风、微加速度传感器以及体声波共振器件等微传感和执行器件中，在 MEMS 领域有着广泛的应用。因此，为了满足压电超声技术中超声波的激励需求，本文研究在不同材料衬底上利用磁控溅射法生长高质量 ZnO 作为压电薄膜，同时，为了实现 ZnO 薄膜器件微制造与 IC 工艺的兼容，本文还在实验的基础上考虑利用 Al 材料作下
49、电极的压电器件的加工工艺。 实验中采用了磁控溅射法在不同衬底上生长厚约 12m 的 ZnO 薄膜，通过实验对样品进行 XRD 和 SEM 测试，来研究磁控溅射过程中工艺参数、衬底及退火工艺对 ZnO 薄膜质量的影响，从而获得制备高质量薄膜的工艺技术以满足压电性能的要求。结果表明，表面沉积 SixNy 薄膜的硅片上生长的 ZnO 薄膜比表面溅射铝膜的硅片上的 C 轴择优取向生长特性好，选择合适的退火处理工艺可使晶体质量有所改善。在此基础上，为了能够与 CMOS 工艺兼容，开发了仍然采用 Al 作为底电极但用一层 SixNy 薄膜与 ZnO 层隔离的 MEMS 压电器件的微制造工艺。本文主要研究基于 MEMS 的压电超声技术，包括超声检测、超声微流体驱动技术和 ZnO 压电薄膜材料及器件的研究，研究课题属于当前微机电系统中较为前沿和创新的学科领域，如下所述： 1、超声共振谱技术(Resonant Ultrasound Spectrum，简称 RUS)是上个世纪九十年代发展起来的一种表征材料特性的方法，该方法成为现代超声检测的较为常用的技术手段，其测量的范围广泛，在 MEMS领域内，可用
