ZnO薄膜加速度传感器的研制-微电子学与固体电子学专业论文.docxVIP

河北工业大学博士学位论文 河北工业大学博士学位论文 ZnO ZnO 薄膜加速度传感器的研制 ZnO 薄膜加速度传感器的研制 摘 要 本文目标是研制 ZnO 薄膜压电传感器。本文分析了高 C 轴取向 ZnO 薄膜的性能，对 ZnO 薄膜的压电效应进行测试（压电系数、电滞回线），设计了压电传感器的测量电路， 设计了悬臂梁结构的压电微力传感器。本文的工作及取得的研究成果总结如下： ? 用磁控溅射法在硅衬底上沉积 ZnO 薄膜，利用 XRD、AFM 、SEM 等测试手段 对薄膜的性能进行测试分析。研究了各个工艺参数对薄膜性能的影响（衬底温度、 溅射功率、靶距、氧氩比、溅射压力、退火温度等）。优化出最佳工艺条件：250℃ 衬底温度、100W 溅射功率、7.5nm 靶距、5:5 氧氩比、1.0pa 溅射压力、600℃退火 温度。在最佳工艺条件下，硅衬底上获得了均匀、致密的 ZnO 薄膜。所得薄膜具 有较好的表面形貌、小粗糙度（RMS：2.038nm)，高 C 轴取向，高电阻率（＞107 Ω.cm）。 ? 纵向压电系数测量系统由原子力显微镜和数字锁相放大器组成。本文完成了 ZnO 薄膜纵向压电系数的测量，厚度 0.82μm 和 1.64μm 的 ZnO 薄膜对应的纵向压电 系数分别为 27.31pm/V 和 50.31pm/V。ZnO 薄膜的压电性和长期稳定性较好，薄膜 厚度与纵向压电系数成正比。 ? 本文对电滞回线参数测量进行测量，验证 ZnO 薄膜的压电性随厚度增大而增强。 ? 本文研究了微机械加速度传感器的工作原理。作者应用机电等效模拟技术，创建 传感器的等效电路模型，利用等效电路模型对微机械加速度传感器进行仿真，效 果较好。 ? 本文探讨了 MEMS 技术的应用。作者应用悬臂梁结构对压电微力传感器进行设计。 本文建立传感器的力-电荷量转换效率优化模型，优化了微悬臂梁的薄膜和层的厚 度，使器件的力-电荷量转换效率提高。 随着微传感器理论的进一步成熟以及 MEMS 技术的发展，需要不断探索、发现并解决 更多的问题。希望本文的工作能够为 ZnO 薄膜压电加速度传感器的发展有一点贡献。文中 的不足之处敬请各位专家、老师批评指正。 关键词：ZnO 薄膜，压电特性，磁控溅射法，电荷放大器，微机电系统 i PAGE PAGE iv RESEARCH ON ZnO THIN FILM ACCELERATION SENSOR ABSTRACT In this paper, ZnO thin film acceleration sensors developed for the goal. This paper analyzes the high C-axis oriented ZnO thin film properties, the piezoelectric effect of ZnO thin film test (piezoelectric coefficient, hysteresis loop), the design of piezoelectric sensors measuring circuit, designed the structure of the piezoelectric micro-cantilever force sensor . This work and the research results are summarized as follows: By magnetron sputtering ZnO thin films deposited on silicon substrates, using XRD, AFM, SEM test means to test the performance of thin film analysis. Of the various process parameters on film properties (substrate temperature, sputtering power, target distance, oxygen argon ratio, sputtering pressure and annealing temperature, etc.). Optimize the best conditions: 250 ℃ of substrate temperature, 100W sputtering power, 7.5nm target distance, oxygen argon ratio of 5:5, 1.0pa sputtering pressure, 600 ℃ annealing temperature. Under opt