适用于压电硅微传声器的PZT压电薄膜的研制.pdf

第27卷第5期 2008年10月 声学技术 Technical AcOustics Vbl．27．No．5 Pt．2 Oct．．2008 适用于压电硅微传声器的PZT压电薄膜的研制 李俊红，汪承灏，刘梦伟，徐联 (中国科学院声学研究所，北京，100190) Preparation of PZT 6lm for piezoeIectric micr0-microphone U Jun-hong，WANG Cheng．hao，LIU Meng-wei，XU Li柚 t l，ls缸mte 0|Acous￡ics，chi舵se Acnde哪o|Sciences．Beijing l00190。CMM》 1引 言 硅微压电传声器相对于电容传声器具有制备工 艺简单，不需要复杂的气隙制备工艺：工作时，利 用的是压电薄膜的压电效应，因此不需要偏置极化 电压，这样大大方便了传感器和电路的集成；其频 率动态范围要比电容式的宽；内阻低，若作为超声 发射换能器具有较大的优势，另外，电容传声器存 在灵敏度提高同时，动态响应范围会缩小的矛盾。 而压电传声器却没有这方面限制。但是，目前压电 硅微传声器的灵敏度一般都比较低，这限制了这类 传声器的实用化。 以往压电硅微传声器多采用znO压电薄膜，但 其压电系数比较低(znO体材料的出3为10．6pC／N)， 是影响硅微压电传声器灵敏度不高的原因。提高压 电硅微传声器灵敏度的一个重要方法是使用压电系 数高的PZT薄膜。研究表明不同取向的PzT薄膜 具有不同的压电性能，沿(100)方向择优的PzT 薄膜压电性能最好【lJ。PZT薄膜的制备方法主要有： 溶胶一凝胶法(Sol—Gel)、金属有机物分解法(MOD)、 溅射法、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、脉冲 激光沉积法(PLD)、水热法等，其中溶胶一凝胶法 (S01．Gel)具有以下优点：能精确控制薄膜的组分， 可以制备大面积高质量的薄膜；组分具有高度的均 匀性，可以使均匀性达到微米级甚至纳米级；制备 条件与半导体工艺兼容性好；设备简单成本低，适 合于大批量生产；可通过对先驱体溶液的成分调节， 制备出各种掺杂的复杂固溶体P Z T等优点而被广 泛的应用于MEMS。 本文利用溶胶一凝胶法制各了沿(100)方向择 优的PzT薄膜，利用X射线衍射仪测试了其晶体结 构：利用SEM分析了其微观结构；测试分析了其 介电和铁电性能。 2 PzT薄膜的制备和性能分析 利用直流磁控溅射技术在siO，／si上溅射Pt用 电极，其中SiO，的作用是为了阻挡PZT制备过程 中Pb向Si的扩散以及增加Pt门ri电极和Si之间的 附着力。我们利用了一种新的高温剥离技术对底电 极进行了图形化【2】。实验中使用丙醇锆、异丙醇钛、 乙酸铅作为先驱体原料，乙酸和正丙醇作溶剂，进 行了胶体的配制。首先把丙醇锆和异丙醇钛混合并 及时利用超声进行分散，然后加入去结晶水后的乙 酸铅，并加入乙酸、正丙醇和水，最后使整个溶液 在回流装置中进行反应。 本文中使用甩胶法匀胶，单次成膜厚度在70nm 左右，对于PZT薄膜的热处理工艺为：首先对湿膜 在250℃热板上保温10分钟，使有机溶剂挥发。然 后把样品快速放入600．650℃的马弗炉中并保温30 分钟进行快速结晶处理，然后快速取出，再用以上 工艺，循环制备下一层薄膜。如循环15次，即可 形成最终厚度为1．1 u m的PzT压电薄膜。 如图1所示为所制备薄膜的x射线衍射，从图 中可以看出，所制各薄膜是完全钙钛矿相的。并且 薄膜沿(100)方向择优(取向度达到64．3％)。薄 膜的择优取向主要与热处理工艺、胶体成分、衬底 类型有关。PZT晶体的择优生长情况是由薄膜的形 核和晶核长大控制的，K0esc等人研究了不同铅源 对PzT薄膜微观组织的影响，发现使用醋酸铅作为 铅源的胶体，在其结晶为PzT晶体的热演变过程 中，钙钛矿相的形核能低于晶体长大所需的能量。 晶体的表面能决定了晶体的长大能量，晶体密排面 的表面能比较低，对于PZT晶体其(100)面的表 面能最低，所以沿(100)方向PzT的长大能最低， 在同样能量条件下其生长最快。 t金璜目l国家自然科学基金： 作者简介t李俊红(1976．)，男，山西新绛，汉，研究生，副研究员。研究方向为压电薄膜及硅微压电换能嚣； 叠讯作者：李俊红，Email：qh@mn．ioa．坼．皿． 第5期 李俊红等：适用于压电硅微传声器的Pzr压电薄膜的研制 555 l¨Imm 目2 P矸#■∞sEM月H Hg 2 s删m啦㈣mOm酬。口橱6l“ 如嘲3为薄膜的电滞回线，测试过程中最终的 电压加到15v(此时的电场强度为13636Kv／鼬) 时，厚度为11 um的薄膜的矫顽场强度Ec为55 68 “止Ⅲ和剩余极化为170