铌掺杂锆钛酸铅薄膜驱动的压电mems悬臂梁研究

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1、硕士研究生学位论文铌掺杂锆钛酸铅薄膜驱动的压电悬臂梁砑究学生姓名董世杰——学号学科、专业机械工程研究方向机器人与微机械师何广平赵全」北方工业大学研究生院北方工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月义日学位论文使用授权书学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留和使

2、用学位论文的规定，卩：研宄生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北方工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文（保密的学位论文在解密后适用于本授权书）。□保密论文注释：经本人申请，学校批准，本学位论文定为保密论文，密级：，期限：年，自年月日起至年月日止，解密后适用本授权书。□非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：日期：北方丁业大学硕上学位论文铌掺杂锆钛酸铅薄膜驱动的压电

3、悬臂梁研宄摘要压电式微悬臂梁是一种基于微机电系统（技术，在硅片上制成的一端固定另外一端可以垂直于基底运动的微机械结构，复杂的传感器和驱动器中具有重要的应用价值。本课题研宄了一种利用为下电极制备的薄膜驱动的压电式悬臂梁，相比传统的下电极制备的压电薄膜具有更好的机电性能。首先利用压电理论对压电式悬臂梁进行了动力学分析，并通过计算机有限元分析方法对压电式悬臂梁进行了性能仿真分析，得到了压电悬臂梁的结构参数与性能之间的关系。然后，分别采用了磁控溅射法和溶胶凝胶法制备了薄膜下电极和压电薄膜。电学测试结果表明，薄膜电阻率约为导电性良好，适合作为电极材料。射

4、线衍射表征结果显示薄膜呈钙钛矿相结构，扫描电子显微镜观察结果表明薄膜表面平整、致密无裂纹，厚度约为。铁电性能测试结果显示，薄膜剩余极化强度约为平均矫顽电压大小为，疲劳测试表明薄膜具有良好的疲劳强度。因此，本课题制备的薄膜符合制作压电式悬臂梁的要求。进而，设计了压电式悬臂梁的制作工艺，并采用溉射、光刻、刻蚀等微加工工艺与的溶胶凝胶制备工艺相结合，对压电式悬臂梁进行了加工制作，研宄了薄膜的图形化技术，并最终釆用深硅刻蚀实现对悬臂梁结构的释放，完成压电式悬臂梁的制作。最后，利用激光多普勒测振技术对制备的压电式悬臂梁进行了振动模态分析，得到了不同尺寸的

5、压电式悬臂梁的振动频谱曲线和不同模态下的模态振型图，并对其机械品质因子与结构参数之间的关系进行了分析。关键词：微机电系统，压电式，悬臂梁，铌掺杂锆钛酸铅，镍酸镧北方业大学硕上学位论文〇，，，，：，，北方工业大学硕丄学位论文目录擬录绪论概述概念的特点的应用和发展加工技术和工艺压电材料简介：⋯压电材料工作原理锆钛酸铅简介镍酸镧电极薄膜用于的压电薄膜国内外发展状况铌掺杂薄膜（本论文研究目的及意义本论文主要研究内容压电式悬臂梁理论分析与优化压电薄膜微悬臂梁的结构设计压电式悬臂梁的工作原理压电方程压电悬臂梁动力学分析压电悬臂梁谐振分析压电悬臂梁的有限元优

6、化分析压电式悬臂梁有限元模型的建立压电式悬臂梁的有限元静态分析压电式悬臂梁的有限元模态分析北方丁业大学硕上学位论文本章小结电极和压电薄膜的的制备、表征和性能测试电极的制备、表征和性能测试磁控溅射装置及其工作原理薄膜的制备工艺流程和参数薄膜的制备、表征和性能测试薄膜的制备薄膜的表征和性能测试本章小结压电式悬臂梁的制作工艺研宄压电式悬臂梁的工艺流程设计制作技术和工艺简介光刻技术刻蚀技术压电式悬臂梁的制作工艺下电极薄膜的制备压电薄膜的制备上电极的制备和薄膜的图形化深硅刻蚀工艺本章小结压电式悬臂梁的振动模态分析压电式悬臂梁的振动模态测试原理及方法压电式

7、悬臂梁的振动模态测试本章小结申请学位期间的研究成果及发表的学术论文北方工业大学硕士学位论文绪论概述概念微机电系统（是一种利用先进制造技术制造的微型机电装置，它的尺寸在厘米级以下甚至更小，是一套能独立运行的具有智能性的系统。在结构方面，一个主要由微型传感器、微型执行器、信号处理和能源四个主要部分构成。传感器通过敏感元件检测到被测量的相关信息，利用转换元件的转换功能将检测到的信息按一定的规律转换为一定的输出形式。传感器的存在，使得有了触觉、嗅觉等感官功能，变得智能化。执行器是负责接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。信号处理单元负责传感和执行

8、信号的传输和处理。微能源为微型传感器、微型执行器和信号处理单元的工作提供必需的动力。一个典型的传感器和执行器的组成部分和工作原理示意图如图所示：信号输