摘要 摘要 上世紀(jì)九十年代以來(lái)，鋯鈦酸鉛( p z t ) 薄膜壓電微懸臂梁在掃描探針顯微 技術(shù)中的應(yīng)用，開啟了壓電微傳感器在納米探測(cè)領(lǐng)域的研究。由于p z t 薄膜較 高的壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，基于p z t 薄膜的壓電微傳感器集自驅(qū)動(dòng)和和自 檢測(cè)為一體，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊的并行工作系統(tǒng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在高密度信 息存儲(chǔ)、并行加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而高質(zhì)量p z t 壓電薄膜的快 速制備技術(shù)仍然是目前限制基于p z t 薄膜的壓電微傳感器大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的主要因素；受到p z t 薄膜性能和器件加工因素影響，壓電微 傳感器的靈敏度仍有待提高；同時(shí)，在小型化和集成化過(guò)程中，器件尺寸的減 小使壓電微傳感器的壓電信號(hào)輸出越來(lái)越微弱，給壓電微傳感器陣列的并行檢 測(cè)帶來(lái)了困難。本文正是針對(duì)這一背景，圍繞p z t 壓電薄膜微傳感器的力探測(cè) 和并行質(zhì)量檢測(cè)，在高質(zhì)量p z t 壓電薄膜的快速制備、壓電微傳感器的靈敏度 優(yōu)化和微弱壓電信號(hào)的并行檢測(cè)技術(shù)等方面展開研究。 壓電微傳感器的靈敏度提高，依賴于p z t 薄膜的性能提高、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化 和加工技術(shù)。在高性能p z t 薄膜的快速制備方面，我們研究了基于鎳酸鑭種子 層的高性能p z t 薄膜快速制備技術(shù)。以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的l n o 薄膜誘導(dǎo)p z t 薄膜 的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，改善了快速熱處理對(duì)p z t 薄膜性能的影響。在器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化 和加工技術(shù)方面，從壓電微懸臂梁的基本理論出發(fā)，分析了壓電微傳感器的結(jié) 構(gòu)參數(shù)與靈敏度的關(guān)系，研究了基于p z t 薄膜的壓電微傳感器制備工藝，分析 了工藝參數(shù)對(duì)器件性能的影響。以差動(dòng)電荷放大電路為基礎(chǔ)，研究了微弱壓電 信號(hào)的并行檢測(cè)技術(shù)。并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了壓電微傳感器的并行質(zhì)量檢測(cè)與 圖像掃描。 圍繞自檢測(cè)壓電微傳感器的靈敏度優(yōu)化和并行探測(cè)技術(shù)，本博士論文完成的 研究工作可以概括為以下幾點(diǎn)： ( 1 )高性能p z t 壓電薄膜的快速制備與器件加工技術(shù)研究。以溶膠凝膠法制 備的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電氧化物鎳酸鑭薄膜作為種子層，誘導(dǎo)p z t 薄膜沿 ( 1 0 0 ) 晶向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，抑制由于快速升溫導(dǎo)致的p z t 薄膜( 1 1 1 ) 晶向的產(chǎn)生，并利用快速熱處理方法制各了介電性能與壓電性能優(yōu)異的 摘要 p z t 薄膜。這種方法兼顧了p z t 壓電薄膜的快速制備與性能改進(jìn)，為p z t 薄膜器件的批量制備提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)器件加 睦薹羹囊冀蓊葡髦鏊霧裂霧霧霧銎霧羹膏囊霎羹蠢鬻羹壅簦冀霎； i 蠶| 塹叁疆霧囂蓁蓁強(qiáng)冀菰墅j 蠶箍蘩銎囊鬻塑冀鍪震塑黧i 鐾纛冀蓁童囂 靜霞蓁| p z t 簍 m i l l s t r u m e n 協(xié)t i o n ms e n s a c t u a t o r s ，a ，ph y s ，1 9 9 6 ， 5 6 ：1 4 31 4 9 f 1 6 】pg r a b i e c ，k d o m a n s k j ，pj a n u s ，e ta j m i c r d s y s 咖6 e c h 玎o j og y 囂8 豫a d 矗o m 廖a c r o 埝 n a i l o w o r l d 【j 】b i o e i e c 仃o c h e m i s t 以2 0 0 5 ，6 6 ( 1 - 2 ) ：2 3 - 2 8 【1 7 】h c r a i g h e a d n 舭o e l e c 們m e c h 鋤i c a ls y s t e m s 【j 】s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 9 0 ：l5 3 2 【i8 】0 k a w aya o n om m a c e r i a i ss c i e n c en a n o s c a i ec o n 打o lo fc h a i np o i y i r i e r i z a t i o n j 】n a t u r e ， 20 0 1 4 0 9 ：6 8 3 6 8 4 1 明t a n d o ，t u c h i h a s h i ，n k o d 啪，e ta i b a t c hf a b r i c a t i o no fs h a r p e n e ds i l i c o nn i t r i d e t i p s 【j 】j p n j a p p l p h y s ，2 0 0 3 ，4 2 ：4 8 4 4 4 8 4 7 【20 】t f u l ( u m a ，k k o b a y a s h i k m a t s u s h i g e ，e ta 1 t m e8 t o m i c r e s o j u 6 0 ni nl i q u i db y 仃e q u e n c y - m o d u l a t i o na t o m i cf o r c em i c r o s c o p y 川a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 5 ，8 6 ：1 9 3 1 0 8 【2l 】m a o n 0 ，c j i 舭g ，t n a k a y 枷a ，e ta 1 h o wt om e a s u r et h en a l l o s c a i ep h y s i c a lp r o p 礬i e s of m a t c r i a i s ? ( j 】0 y ob u t u 矗，1 9 9 s ，6 7 ：1 3 6 1 ( i nj a p 鋤e s e ) 口2 】i s h h k i ，f 1 觚a b e ，r h o b a r a ，e ta 1 i n d 叩e n d e n t l yd r i v e nf o u r t i pp r o b e sf o rc o n d u c t i v 時(shí) me 弱u r e m e n t si nu l 仃a 1 1 i 曲v 猶u u m 【j 】s u r s c i ，2 0 0 l ，4 9 3 ：6 3 3 【23 】t k a l l a g a w a ，r h o b a 賜i m a t s u d a ，e ta 1 a n 觚i s o 昀p ym e 孫u r e m e n to fq u a s i o m di l n 鋤s i o n a ls u r f a c es t a t ec o n d u c t a n c eb yr o t a t i o n a l s q u a r e m i c r of o u 卜p o np r o b e m e t i l o d 【j 】p h y s r e v l e t t 2 0 0 3 ，9i ：0 3 6 8 0 5 【2 4 】h o k i n o ，i m a t s u d a ，r h o b a r a ，e ta 1 i ns i t i lr e s i s t a n c em e a s u r e m e n c so fe p i 切x i a lc o b a h si i i c i d en a n o w 油so ns i ( i l0 ) 【j j a p p i p h y s l e 髓，2 0 0 5 ，8 6 ：2 3 3lo s 團(tuán)】m i s h i l ( a w a ，m y 0 s h i m u r a ，舭dk u e d a d e v e l o p m e n to ff o u r - p r o b em i c r o s c o p yf o r el e c 仃i cc o n d u c t i v 時(shí)m e 私u r e m e 州hj p n j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，4 4 ：1 5 0 2 一1 5 0 3 26 】k t a k 鋤i ，m a k a i k 弱a y a a s a i t o ，c ta 1 c 0 n s t m c t i o no fi n d 印e n d e n t i y d 打v e n d o u b l e - t i ps c a 衄i n gt u 衄e j i n gm i c r o s c o p e j 】j p n j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，4 4 ：l 1 2 0 a b s t r a c t a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i cp z t ( l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ) m i c r o c a n t i l e v e r , s e n s i t i v et on a n o s c a l ed e f l e c t i o n ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e da ss e l f - s e n s i n gp m b e si ns p ms y s t e m s s i n c e19 9 0 s p z tf i l m w i t hh i g hp i e z o e l e c t r i cc o n s t a n ta n de l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ，w h i c hi s t h ek e ym a t e r i a lo fs e l f - s e n s i n ga n ds e l f - a c t u a t e d p i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，h a ss h o w nt h ep o t e n t i a li nc o n s t r u c t i n gc o m p a c tp a r a l l e l d e t e c t i o ns y s t e m ss u c ha su l t r a - h i g h d e n s i t ys t o r a g e ，p a r a l l e l f a b r i c a t i o np l a s m a d e v i c e s ，e ta 1 h o w e v e r , t h ep r e p a r a t i o no fh i g hq u a l i t yp z tt h i nf i l m i sr a t h e r t i m e c o n s u m i n g ，w h i c hl i m i t si t sm a s sp r o d u c t i o na n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n a st h e s e l f - s e n s i n gf u n c t i o no fp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r si s b a s e do nt h ed e t e c t i o no f p i e z o e l e c t r i cc h a r g e o u t p u to ft h ep z tl a y e r , i t i sn e c e s s a r yt oe n c h a n c et h e s e n s i t i v i t yo fm i n i a t u r i z e dp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s a d d i t i o n a l l y , t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nm i c r o s e n s o r sm a k e si t d i f f i c u l tt or e a l i z e p a r a l l e l - d r i v i n g a n d p a r a l l e l m e a s u r i n g t h e r e f o r e ，w ef o c u s e do nt h es e n s i t i v i t ye n c h a n c i n ga n dp a r a l l e l d e t e c t i o nt e c h n i q u ew i t hp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，a n dr e s e a r c ho nt h er a p i d p r e p a r a t i o no fh i g hq u a l i t y p z tt h i nf i l m ，t h ef a b r i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c m i c r o s e n s o r sw i t ho p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，p a r a l l e ld e t e c t i o nt e c h n i q u eo fw e a k p i e z o e l e c t r i cs i g n a l t oe n c h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fp i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r s ，t h ep r o p e r t i e so f p z tt h i nf i l ma n dt h ep a r a m e t e r si nf a b r i c a t i o ns h o u l db ee n h a n c e da n do p t i m i z e d p e r o v s k i t el a n i 0 3f i l mw a si n t r o d u c e da st h es e e dl a y e ri np z t f i l mp r e p a r a t i o nw i t h r a p i dh e a tt r e a t m e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e n s i t i v i t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f p i e z o e l e c t r i cm i c r o s e n s o r sw a sc o n c l u d e df r o mt h eb a s i cm i c r o c a n t i l e v e rt h e o r y t h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nf a b r i c a t i o nw e r es t u d i e d d i f f e r e n t i a lc h a r g ea m p l i f i e r sw e r e m o d i f i e df o rp a r a l l e ld e t e c t i o n s e l f - s e n s i n ga n ds e l f - a c t u a t e dp i e z o e l e c t r i cp z t m i c r o c a n t i l e v e ra r r a yf o rp a r a l l e l - d e t e c t i o nm a s ss e n s o r sw i t hp i c t o g r a ms e n s i t i v i t y w a sr e a l i z e d t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f a s tp r e p a r a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ep z t f i l ma n df a b r i c a t i o no fp z tf i l mb a s e d i i i 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性和授權(quán)使用聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作 所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任 何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究 所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明。 本人授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué) 校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 者簽名：罷堊鱟 2 0 0 暑年月c 1 日 第一章緒論 第一章緒論 本章摘要：基于鋯鈦酸鉛薄膜的自檢測(cè)壓電微傳感器，以其獨(dú)特的自驅(qū)動(dòng)自檢 溯特點(diǎn)，逐漸在微納米領(lǐng)域各種微小量的測(cè)量中得到應(yīng)用。然而，隨著微機(jī)電 系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了獲得更高的檢測(cè)靈敏度和更快的檢測(cè)速度，器件不 斷的向小型化和集成化方向發(fā)展。因此需要研究提高壓電微傳感器自檢測(cè)靈敏 度的方法和實(shí)現(xiàn)并行驅(qū)動(dòng)并行檢測(cè)的技術(shù)。本章就基于鋯鈦酸鉛薄膜的壓電微 傳感器制各和檢測(cè)技術(shù)、微懸臂梁陣列并行工作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀以及致動(dòng)型鋯鈦 酸鉛壓電薄膜器件的相關(guān)背景做了詳盡的介紹，并在基礎(chǔ)上，提出本論文的研 究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容。 1 1 壓電微傳感器發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 1 壓電陶瓷材料的發(fā)展 晶體的壓電效應(yīng)是由居里兄弟( j a c q u e sc u r i e 和p i e r r ec u r i e ) 發(fā)現(xiàn)于1 9 世紀(jì)8 0 年代。有關(guān)壓電材料和壓電理論的研究，直到上世紀(jì)四十年代才終于獲 得飛躍式發(fā)展和廣泛應(yīng)用。先是于1 9 4 3 年發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇陶瓷，之后于1 9 4 7 年利 用其壓電效應(yīng)制成拾音器，從此開創(chuàng)了壓電陶瓷的應(yīng)用。具有優(yōu)良?jí)弘娦阅艿?二元系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛的頒布( b j a f f e ，1 9 5 4 年) ，使壓電陶瓷的應(yīng)用展開 了新的一頁(yè)。1 9 6 5 年日本在鈣鈦礦型壓電陶瓷的基礎(chǔ)上，根據(jù)斯莫林斯基 ( s m o l e n s k y ) 法則，研制成功含鈮鎂酸鉛的三元系壓電陶瓷( p c m ) 。此后，各 種性能優(yōu)良的單元系、二元系、三元系、四元系壓電陶瓷以及非鉛陶瓷、壓電 半導(dǎo)體陶瓷、鐵電熱釋電陶瓷不斷問(wèn)世，使壓電陶瓷的逐漸獲得廣泛應(yīng)用。與 此同時(shí)，壓電學(xué)理論不斷完善，壓電學(xué)逐漸成為晶體物理學(xué)的一個(gè)重要分支。 多晶陶瓷之所以具有壓電效應(yīng)，是因?yàn)闃?gòu)成陶瓷的晶粒沿某一方向取向所 致。由于壓電陶瓷只有在極化后才顯示出壓電性能，因此構(gòu)成壓電陶瓷的晶體 必須是鐵電體，其電疇是可以轉(zhuǎn)向的。二元系鋯鈦酸鉛陶瓷p b ( z r , t i ) 0 3 ( p z t ) 是a b 0 3 型鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)的鐵電體。p z t 晶粒在極化之前顯示出各向同性的中心 對(duì)稱結(jié)構(gòu)，正、負(fù)離子中心相互重合而使晶粒不具有極性，極化過(guò)程中的晶格 畸變將使正、負(fù)離子偏離其平衡位置，形成電偶極子，如圖1 1 所示。反之，在 第一章緒論 ( 勛，e s ! d 大分子束外延( 勿尾c 材 礦屁鯽勵(lì)泐叫) 等，也在嘗試和改進(jìn)中。 p z t 壓電薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，為p z t 薄膜在m e m s 領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用奠定了 堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這些原理與方法上各異的p z t 薄膜制備技術(shù)，所獲得的p z t 薄膜在 性能與厚度方面各不相同，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 磁控濺射法： 磁控濺射是i c 工藝中和微機(jī)電系統(tǒng)中常用的制備方法。它利用的是a r 的高能 離子轟擊靶材將靶材中的成分濺射到襯底上形成薄膜。由磁控濺射法得到的 p z t 薄膜結(jié)構(gòu)致密、附著力強(qiáng)、厚度均勻，并且具有良好的電學(xué)性能，加上工藝 兼容性好，因此在鐵電存儲(chǔ)介質(zhì)研究中廣泛采用【4 】【5 1 。但是由于p z t 中p b 、t i 、 z r 、o 各種元素的濺射速率不同，加之高速飛行的粒子到達(dá)樣品或腔體后往往形 成二次濺射，因而難以準(zhǔn)確控制p z t 薄膜的組分。另外，磁控濺射法制備p z t 薄 膜的速度比較慢，因而不適合微傳感器和微制動(dòng)器中的中厚p z t 薄膜的制備。 脈沖激光沉積法： 脈沖激光沉積法使用強(qiáng)脈沖激光束轟擊靶材，使靶表面產(chǎn)生大量激發(fā)態(tài)的帶 電微粒并高速射向襯底，從而形成致密的p z t 鐵電薄膜【6 】【7 1 。研究表明，當(dāng)脈 沖激光束能量密度足夠高時(shí)，由于粒子彈射起主導(dǎo)作用，所得p z t 鐵電薄膜的 成份與靶面高度一致。但是受激光光斑大小限制，p z t 薄膜的沉積速度比較慢， 加之脈沖激光沉積法設(shè)備昂貴，因此一般脈沖激光沉積法主要用于供實(shí)驗(yàn)性研 究的p z t 薄膜的制備當(dāng)中，該方法難以應(yīng)用于器件級(jí)薄膜的制備。 溶膠一凝膠法： 溶膠凝膠法通過(guò)旋轉(zhuǎn)鍍膜工藝將前驅(qū)溶液涂敷在襯底上形成濕膜，再經(jīng)過(guò) 熱裂解、退火等熱處理工藝最終得到p z t 鐵電薄膜。溶膠凝膠法設(shè)備簡(jiǎn)單，成 本低，制得的薄膜結(jié)構(gòu)致密、化學(xué)成份準(zhǔn)確且性能優(yōu)于用其它方法得到的p z t 薄 膜，因此是微機(jī)電系統(tǒng)中最常用的p z t 薄膜制備方法之一。p z t 濕膜在后續(xù)熱 處理過(guò)程中體積迅速收縮，極易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中導(dǎo)致薄膜開裂，從而使薄膜 單層不開裂最大厚度難以超過(guò)1 2 0 n m 。因此為了得到l 岬以上的p z t 薄膜，需 要反復(fù)使用旋轉(zhuǎn)鍍膜工藝，這就帶來(lái)熱處理時(shí)間上的增加而往往造成n 擴(kuò)散等 問(wèn)題。為此，人們采用縮短單層熱處理時(shí)間的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)p z t 薄膜的快速制 備，但這往往會(huì)帶來(lái)性能上的損失。 除上述三種方法之外的其他方法在p z t 薄膜得性能、制各效率或工藝兼容 性等方面還存在很大不足，因而目前尚未廣泛采用。 3 第一章緒論 隨著研究的不斷深入，高性能p z t 壓電薄膜的制備技術(shù)越來(lái)越受到人們的 關(guān)注。然而目前尚沒有一種方法能夠兼顧薄膜性能和制備效率，為基于p z t 壓 電薄膜微器件研究帶來(lái)了困難。實(shí)現(xiàn)高性能p z t 壓電薄膜的快速制備技術(shù)成為 微機(jī)電系統(tǒng)研究中迫切需要解決的一個(gè)前沿課題，具有強(qiáng)烈的理論研究和工程 應(yīng)用前景。 1 1 3 基于鋯鈦酸鉛薄膜的壓電微傳感器 由于p z t 壓電薄膜表現(xiàn)出了比z n o 更高的壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，因此因 此在諸多基于壓電薄膜的m e m s 器件應(yīng)用中，p z t 壓電薄膜逐漸成為取代z n o 的 一種重要的壓電材料。各種基于p z t 壓電薄膜的器件紛紛問(wèn)世，包括壓力傳感器、 加速度傳感器、聲體波微波器件( b a w ) 和聲表面波器件( s a w ) 在內(nèi)的各種 諧振式傳感器紛紛采用p z t 壓電薄膜作為驅(qū)動(dòng)和傳感材料f 引。 zi t o h 首先將力傳感的壓電微懸臂梁作為原子力顯微鏡的探針用于非接觸模 式樣品掃描【9 】。隨后又成功的實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)p z t 壓電微懸臂梁的圖像掃描，開創(chuàng) 了p z t 壓電微傳感器自驅(qū)動(dòng)自檢測(cè)應(yīng)用的開始【1 0 1 。p z t 壓電微懸臂梁在掃描力 顯微術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，使其應(yīng)用從最初的力探測(cè)逐漸拓展到各種微小量測(cè)量 中。尤其是近年來(lái)如火如荼的生物微機(jī)電系統(tǒng)( b i o m e m s ) 研究中，結(jié)構(gòu)緊湊 并且適用于各種環(huán)境下工作的壓電微懸臂梁受到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著檢測(cè)量 不斷減小，器件的尺寸越來(lái)越小，而對(duì)檢測(cè)靈敏度的要求越來(lái)越高。 有別于單純的作為傳感材料時(shí)對(duì)電學(xué)量的檢測(cè)，基于自驅(qū)動(dòng)自檢測(cè)的壓電 微傳感器在工作時(shí)壓電信號(hào)是和激勵(lì)信號(hào)混合在一起的。同時(shí)，器件尺寸的減 小雖然使p z t 壓電探針的靈敏度得到提高，但同時(shí)也提高探針的工作頻率，降低 了探針壓電信號(hào)的輸出幅值【1 1 】。這就給p z t 壓電探針工作狀態(tài)的檢測(cè)帶來(lái)了困 難。為了實(shí)現(xiàn)p z t 壓電探針上微弱壓電信號(hào)的檢測(cè)，可以在襯底上制備一塊與 p z t 壓電探針上的薄膜面積相等的p z t 薄膜，并利用差動(dòng)方式減去混合輸出中的 非壓電電荷輸出【3 8 】。然而由于壓電信號(hào)的減小，工作頻率的上升，線路中寄生 電容和線路電阻帶來(lái)的影響往往使得兩路信號(hào)產(chǎn)生相位誤差而難以完全抵消非 壓電電荷輸出，甚至將壓電電荷輸出淹沒。因此，提高壓電微傳感器的檢測(cè)靈 敏度成為目前p z t 壓電微傳感器小型化應(yīng)用中的主要問(wèn)題之一。 4 第一章緒論 展多探針原子力顯微鏡系統(tǒng)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈【2 9 】 3 0 1 。另一方面，在諸多基于 a f m 原理的測(cè)量技術(shù)中，如開爾文力顯微鏡( k f m ) 【3 l 】【3 2 1 、磁力顯微鏡( m f m ) 【3 3 1 、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡( s n o m ) 【3 4 1 等，多探針并行檢測(cè)也具有極大的優(yōu)判3 5 1 【3 6 】。 1 2 1 并行檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展 多探針a f m 系統(tǒng)研制中的主要困難是懸臂梁變形的檢測(cè)方法過(guò)于復(fù)雜。目前 大多數(shù)的a f m 采用的是由激光器、位置敏感元件( p s d ) 等光學(xué)部件和至少兩 個(gè)兩軸定位器組成的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，如圖1 3 所示。同時(shí)，由于每個(gè)探針還需要 獨(dú)立的位移控制系統(tǒng)，這就使得整個(gè)系統(tǒng)非常復(fù)雜。因此，簡(jiǎn)化懸臂梁的變形 檢測(cè)技術(shù)，是多探針a f m 的研制中關(guān)鍵問(wèn)題。 圖1 3 普通原予力顯微鏡工作原理 針對(duì)普通原子力顯微系統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)并行檢測(cè)的特點(diǎn)， k o y a m a 等人采用光學(xué)干涉的方法，利用c c d 成像，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)探針陣列的變形 并行檢測(cè)p7 i ，如圖1 4 所示。該系統(tǒng)可望實(shí)現(xiàn)多達(dá)5 0 0 0 0 根s i n x 變形的并行檢測(cè)， 但是受到加工誤差以及c c d 成像分辨率等各種因素的限制，目前系統(tǒng)的檢測(cè)分 辨率僅能達(dá)到1 “m 左右。同時(shí)，由于采用的是懸臂梁彎曲變形時(shí)產(chǎn)生的干涉條 紋位置變化來(lái)計(jì)算懸臂梁的尖端位移，對(duì)微懸臂梁的初始形變、彈性等結(jié)構(gòu)因 素要求非?？量蹋虼讼拗屏嗽撓到y(tǒng)檢測(cè)分辨率的提高。 6 第一章緒論 圖1 4 光學(xué)方法并行讀取的多探針s p m 系統(tǒng) 采用自傳感的探針可以簡(jiǎn)化多探針a f m 系統(tǒng)的復(fù)雜性【3 8 】。s a t o n 等人采用獨(dú) 立工作的2 根p z t 壓電薄膜懸臂梁組成了一個(gè)多探針a f m 系統(tǒng)【”】，如圖1 5 所示。 盡管該系統(tǒng)可以通過(guò)獨(dú)立的逼近與傳感系統(tǒng)控制每根p z t 探針的位置，從而實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)探針間距離的精密調(diào)整，并且單根探針的檢測(cè)分辨率可以達(dá)到納米量級(jí)。 但是由于每根探針都采用了獨(dú)立的控制和檢測(cè)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的體積，限制 了探針的數(shù)目的增加。該方法所能實(shí)現(xiàn)的最多探針數(shù)目為4 根探針并行工作。 圖1 5 由兩根獨(dú)立工作的p z t 壓電探針組成的多探針s p m 系統(tǒng) i b m 公司從上世紀(jì)9 0 年代開始研制基于探針陣列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究，其探針 陣列結(jié)構(gòu)被命名為m i l l i p e d e 【4 0 】【4 i 】，如圖1 6 所示。探針陣列利用電容平臺(tái) 的靜電力來(lái)控制探針的彎曲變形，由熱學(xué)方法對(duì)樣品上的數(shù)據(jù)斑進(jìn)行讀寫【4 2 】【43 1 。 7 第一章緒論 1 3 致動(dòng)型p z t 薄膜器件 作為微機(jī)電系統(tǒng)中一種重要的驅(qū)動(dòng)材料，p z t 材料具有較高的壓電系數(shù)和理 想的機(jī)電耦合系數(shù)?；趐 z t 材料的微致動(dòng)器往往具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快 等優(yōu)點(diǎn)。p z t 薄膜m e m s 變形鏡致動(dòng)器是一種典型的膜片式致動(dòng)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)膜 片不同材料內(nèi)部應(yīng)力的不同產(chǎn)生變形，并利用四周固支的結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)膜片的致 動(dòng)能力。在這種結(jié)構(gòu)中，致動(dòng)器的變形能力和致動(dòng)能力往往是一對(duì)矛盾，因此 如何通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在增加致動(dòng)器變形能力的同時(shí)維持甚至提高其致動(dòng)能力， 是目前基于p z t 薄膜的m e m s 變形鏡致動(dòng)器研究中的主要問(wèn)題之一【5 1 】。壓電薄膜 驅(qū)動(dòng)的全光纖相位調(diào)制器，由于其體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的光纖相位調(diào)制器，因而 是目前光學(xué)系統(tǒng)與微機(jī)電系統(tǒng)交叉領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)之一【5 7 】。p z t 薄膜驅(qū)動(dòng)的全 光纖相位調(diào)制器，利用了p z t 薄膜壓電系數(shù)高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)， 可以得到低壓驅(qū)動(dòng)的全光纖相位調(diào)制器，因而具有非常廣闊的應(yīng)用前景。而目 前關(guān)于p z t 薄膜驅(qū)動(dòng)的全光纖相位調(diào)制器的理論還不夠完善，p z t 薄膜在光纖表 面的制備方法還不夠成熟，這些問(wèn)題是p z t 薄膜驅(qū)動(dòng)的全光纖相位調(diào)制器研究中 迫切需要解決的問(wèn)題。 1 3 1m e m s 變形鏡微致動(dòng)器 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、材料選擇和系統(tǒng)調(diào)試等方面技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得 光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量越來(lái)越高。而來(lái)自大氣湍流、溫度、重力等變化形成的動(dòng) 態(tài)擾動(dòng)，只能通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量和校正來(lái)克服。變形鏡是一種常用 的波前校正器。不同的光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)波前校正器的要求也不相同。例如美國(guó)的 “類地行星探測(cè)器”要求系統(tǒng)的殘余像差在整個(gè)通光口徑上小于1 0 0 0 【5 2 1 。這就 要求變形鏡具有盡可能多的單元數(shù)目和較低的變形量。而在激光通信領(lǐng)域，不 僅對(duì)波前質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，還要求波前校正器具有比較高的響應(yīng)速度【5 3 1 。 目前還沒有一種變形鏡技術(shù)能夠完全滿足這些應(yīng)用場(chǎng)合。無(wú)論是基于電致伸 縮材料鎂鈮酸鉛( p m n ) 致動(dòng)器的變形鏡，還是基于靜電式致動(dòng)器的變形鏡， 雖然都可以獲得比較好的鏡面質(zhì)量和穩(wěn)定性，但致動(dòng)器的變形量都非常有限洋j p 引?；趬弘娞沾刹牧箱嗏佀徙U( p z t ) 的變形鏡致動(dòng)器，雖然具有驅(qū)動(dòng)力大、 響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是致動(dòng)器的體積往往比較大【5 6 1 。為了實(shí)現(xiàn)變形鏡的微型 化、提高系統(tǒng)集成度，美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室開展了以m e m s 技術(shù)制造微型變形鏡 的研究，提出并研制了2 5 m m 直徑的圓形p z t 薄膜微致動(dòng)器，并在此基礎(chǔ)上制備 9 第一蘋緒論 了連續(xù)鏡面的變形鏡【l 豁1 。雖然這種致動(dòng)器本身的變形量很大，在2 0 v 電壓驅(qū)動(dòng) 下可以獲得5 7 i t m 的變形量，但在驅(qū)動(dòng)2 0 1 1 m f l q 連續(xù)鏡面工作時(shí)的變形量大大降 低，3 0 v 電壓下的最大變形量只有l(wèi) g m 。 因此，如何通過(guò)對(duì)致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)p z t 薄膜的性能來(lái)提高致 動(dòng)器的剛度和驅(qū)動(dòng)性能成為m e m s 變形鏡微致動(dòng)器研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。 1 3 2 全光纖相位調(diào)制器 光纖相位調(diào)制器是光纖激光器、光纖諧振腔、光纖干涉儀等系統(tǒng)的重要器件。 傳統(tǒng)的光纖相位調(diào)制器體積大，難以消除二次折射，耦合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耦合損耗 大。因而全光纖相位調(diào)制器受到越來(lái)越多的關(guān)注【5 7 】【5 8 】【1 2 8 】【1 2 9 1 。全光纖相位調(diào)制 器是在光纖表面沉積層具有壓電性的薄膜制成，它利用電場(chǎng)作用下壓電薄膜 的體積變化引起光纖內(nèi)部應(yīng)變，從而改變光纖的折射率，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。全光 纖相位調(diào)制器具有體積小，驅(qū)動(dòng)電壓低，易于集成到全光纖系統(tǒng)中等諸多優(yōu)點(diǎn)。 相位調(diào)制效率，即單位電壓在單位長(zhǎng)度的全光纖相位調(diào)制器上引起的相位變化 量，是衡量全光纖相位調(diào)制器性能的重要指標(biāo)。通常，材料的壓電性能越好， 相應(yīng)的全光纖相位調(diào)制強(qiáng)的相位調(diào)制效率越高。但是由于光纖表面壓電薄膜制 備技術(shù)尚不成熟，不同的制備工藝與壓電材料在光纖表面獲得的壓電薄膜的性 能與尺寸上面存在很大的差異。因此，如何通過(guò)工藝優(yōu)化，制備出性能優(yōu)異的 全光纖相位調(diào)制器，成為研究的熱點(diǎn)。而通過(guò)建立數(shù)值模型，分析壓電薄膜的 各項(xiàng)性能參數(shù)與相位調(diào)制性能的關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化工藝過(guò)程，明確優(yōu)化方向有著 重要的意義。 zj a r z y n s k i 針對(duì)基于壓電聚合物p v f 2 的全光纖相位調(diào)制器建立了一種數(shù)值 模型，用于計(jì)算全光纖相位調(diào)制器內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，并得到了相應(yīng)的光纖相位調(diào) 制效率【1 2 引。d a 。b a r r o w 等人進(jìn)一步發(fā)展了該模型，并將其應(yīng)用于基于p z t 的全 光纖相位調(diào)制器【1 2 9 1 。但是d a b a r r o w 的模型當(dāng)中并沒有考慮p z t 材料的重要參 數(shù)側(cè)向壓電常數(shù)d 3 l ( 等效于h 3 1 ) ，同時(shí)該模型用于計(jì)算p z t 壓電陶瓷薄膜覆膜內(nèi) 部電位移的公式當(dāng)中存在一個(gè)未知常數(shù)玩，需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。么b h a t t i 等人使用 有限元方法，分別對(duì)基于壓電聚合物和壓電材料a i n 的全光纖相位調(diào)制器進(jìn)行了 數(shù)值模擬【5 7 】【5 8 1 。雖然有限元方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合比較好，但是有限元 方法計(jì)算速度慢，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。因此針對(duì)以上情況，本文提出了一種簡(jiǎn) 單、高效的計(jì)算方法，并在所建立的模型當(dāng)中充分考慮了壓電常數(shù)函l ，并給出 第一章緒論 了電位移常數(shù)d o 的計(jì)算方法。 另外如何在光纖表面制備壓電薄膜，尤其是p z t 薄膜，受到越來(lái)越多的關(guān)注。 g y 等人使用提拉法在鎳合金絲和光纖表面制備了6 呻厚的p z t 薄膜【5 9 】【6 0 1 ，并通 過(guò)在前驅(qū)液當(dāng)中添加p z t 粉末使單層厚度增加，并最終在光纖表面得到了1 2 0 p , m 厚的p z t 厚膜【6 1 】【6 2 1 。但是提拉法制備的p z t 薄膜厚度難以控制，薄膜結(jié)構(gòu)不夠致 密，性能較差。g l e nr f o x 等人使用磁控濺射法在光纖上制各了0 5 - 1 0 岬厚的 p z t 薄膜，并成功制備出了全光纖相位調(diào)制器【6 3 】【6 4 冊(cè)】。盡管磁控濺射方法制備 的p z t 薄膜在性能上獲得了一定提高但是使用磁控濺射方法難以制備厚度在 l t m 以上的p z t 薄膜。還有人嘗試了脈沖激光淀積法、電泳法等方法在光纖或金 屬細(xì)絲表面制各p z t 薄膜，但是所獲得的p z t 薄膜存在厚度不均勻、結(jié)構(gòu)不致密、 性能較差等缺點(diǎn)【6 6 】【6 7 1 。因此發(fā)展一種可以在微米直徑細(xì)絲表面制各結(jié)構(gòu)致密的 p z t 薄膜制備技術(shù)，成為基于p z t 壓電薄膜的全光纖調(diào)制器研究中迫切需要解決 的問(wèn)題。 1 4 本論文的研究意義及構(gòu)成 1 4 1 本博士論文的研究目標(biāo)和意義 本博士論文的總體指導(dǎo)思想是以實(shí)現(xiàn)p z t 壓電微傳感器的靈敏度優(yōu)化和并 行探測(cè)為目標(biāo)，進(jìn)行p z t 壓電探針的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工工藝，研究探針陣列的并 行驅(qū)動(dòng)和并行檢測(cè)方法，并試圖對(duì)該并行工作系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入 研究。具體的研究目標(biāo)概述如下： ( 1 ) 分析快速熱處理工藝對(duì)p z t 薄膜性能的影響，研究在快速熱處理過(guò)程中 誘導(dǎo)p z t 壓電薄膜( 1 0 0 ) 擇優(yōu)取向形成的技術(shù)，并設(shè)法得到高性能p z t 壓電薄膜的快速制備方法。同時(shí)，研究基于p z t 壓電薄膜的微傳感器和 微致動(dòng)器的加工工藝，分析影響器件性能的關(guān)鍵因素。 ( 2 ) 對(duì)基于p z t 壓電薄膜的微懸臂梁的性能進(jìn)行理論計(jì)算，研究影響p z t 壓 電微懸臂梁的檢測(cè)分辨率的因素：優(yōu)化器件的參數(shù)設(shè)計(jì)和加工工藝，分 析并行工作系統(tǒng)應(yīng)用中對(duì)p z t 壓電微懸臂梁的性能要求；并深入研究并 行探測(cè)中系統(tǒng)的工作模式、并行驅(qū)動(dòng)并行檢測(cè)的等若干關(guān)鍵問(wèn)題。 ( 3 ) 研究p z t 壓電微懸臂梁工作時(shí)的壓電信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的電荷放大電 路。研究包括線路寄生電容、輸入電阻等因素對(duì)前置放大電路的性能影 第一章緒論 響，通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)對(duì)其設(shè)法消除；研究提高p z t 壓電微懸臂梁品 質(zhì)因數(shù)的調(diào)制電路的實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)對(duì)p z t 壓電微懸臂梁陣列進(jìn)行并行 驅(qū)動(dòng)并行檢測(cè)的控制電路，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。 ( 4 ) 測(cè)試所制備的p z t 壓電微懸臂梁的性能，在此基礎(chǔ)上，分析樣品的表面 物理化學(xué)性能、探針樣品相互作用力等因素對(duì)探針輸出的影響。在上述 研究目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行并行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并研究其中的關(guān)鍵問(wèn)題。 研究液體環(huán)境下p z t 壓電微懸臂粱的工作特點(diǎn)。 5 ) 對(duì)基于p z t 壓電薄膜的變形鏡微致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其驅(qū)動(dòng)能 力。建立適合于基于p z t 壓電薄膜的全光纖相位調(diào)制器的數(shù)學(xué)薄膜，并 分析p z t 壓電薄膜厚度、電極尺寸等因素對(duì)調(diào)制器的性能影響。通過(guò)溶 膠電霧化方法實(shí)現(xiàn)在光纖類非平面上p z t 壓電薄膜的制備。 1 4 2 本博士論文的構(gòu)成 基于以上研究目標(biāo)，本博士論文由以下七章構(gòu)成： 第一章主要介紹了本研究的背景，包括p z t 鐵電薄膜在微機(jī)電系統(tǒng)中的地 位；基于p z t 壓電薄膜的微傳感器和微致動(dòng)器的歷史和現(xiàn)狀：基于微懸臂梁陣 列的并行工作系統(tǒng)的基本原理以及現(xiàn)狀；致動(dòng)型p z t 薄膜器件應(yīng)用中存在的問(wèn) 題等。在此基礎(chǔ)上，提出了本博士論文的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容。 第二章從理論上分析了p z t 壓電薄膜微懸臂梁性能的幾個(gè)主要性能指標(biāo)， 包括彈性系數(shù)、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和驅(qū)動(dòng)變形能力；進(jìn)一步分析了影響p z t 壓電微懸臂梁的檢測(cè)分辨率的因素和提高檢測(cè)靈敏度的方法；針對(duì)并行工作系 統(tǒng)應(yīng)用，探討了p z t 壓電微懸臂梁的工作模式，進(jìn)行了壓電微懸臂梁陣列的優(yōu) 化設(shè)計(jì)，為后續(xù)研究提供了理論指導(dǎo)。 第三章介紹了基于鎳酸鑭種子層的高性能p z t 壓電薄膜的制備方法；研究 了p z t 壓電薄膜的快速熱處理方法及其改進(jìn)；分析了基于p z t 壓電薄膜的微器 件加工過(guò)程中的若干關(guān)鍵工藝；并最終總結(jié)出的p z t 壓電微懸臂梁制備的完整 工藝過(guò)程是為后續(xù)的研究的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 第四章研究了基于差動(dòng)電荷放大原理的壓電電荷檢測(cè)技術(shù)，并以此研制了前 置放大電路：根據(jù)p z t 壓電微懸臂梁的等效模型分析了影響前置放大電路輸出 的因素，并提出了一種解決方法；研究了并行工作系統(tǒng)中的核心部分并行驅(qū)動(dòng) 和并行檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)。該部分電路的成功研制是后續(xù)實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。 1 2 雕一鄯醚雕 羹；蕞雪隆纂羹霪翼霧甬髦赫薹羹鏨禹i 塞垂釜零p z t 要霧簍疆墅鬟菱 髦基淫霧簍雹薹帚了蕊野雒i 薺蠹妻p z t 飄奏羹纂囊羹羹疆籬蓁垂壇 轢鐾；霎霧要蓁霎盈霧霧蘺。霎瞄溜地羹出 匕以薹。 薹詈| 簍維| j ；密惺溶釬p z t 引謄墨撂霎烈冀鼗彩! 塑薹荔墓鋈i 群溱徜蓁薹鼎劌 墅茜鏊菰凄羹；梁耷；琢羹翼囊蓄耐簍篡囂簍荔甚磁緩薹霎冀萋；土霪攢 鍛耄耋遵垂零羹謄鼬募j 訪青霪慧囊薹| 要塞i 囊遵夔蓄蓁耋| | 蠹磬羹商二 器羹鬻絲霸受p z t 圍囊啾蒂簍彰籌鑫阮堪霎； 垂霧! 荔器墅p z t 羹囊萎力蓁霧瀋鬟固露垂霧蓁霎曩塞疆等萋；囊蓁曼墓霧簍 蔞i 扼藿洛謝哆捕椎p z t 斟薷塑塑童湮簍霎降鱉萎鬟蓁塞蓊羹羹簇i 霉 痹強(qiáng)p z t 掣囊蟛濰噌堡；薹藿霪萋馳薹霧耋羹杉藩翥蓑蓁霎墾。蓁鍪乒 勤。薹哥留囊蒲藹前耋萎焉萎壁霎墮籬p z t 麓薹箋甍薹器囂； 1 4 。2 褪蔡蓑囊藁對(duì)薄冀 霉蓁鬟刳鼬譬霪餉i 并鍵霎萎萎霧蓁霧磊 ：i 霍霪! 薹一狀況酒一詫蓁琵鬈蓁囊薺墓；器等p z t 塞鎏強(qiáng)笤曼霎蔭冀牛茫藿簍墓 霉i 健箔p z t 零| 薹羹 霧幕塑需蟄霾塌萋墮翟薹簍型；委鬟羔! 簍薔增蟊霄冀囂 睡墓器釜季靄季墅壟重霎蘺鬈豪需攮駕j 骺警窶p z t 霧量簍蓁髦藏薹蓄 霸簍；幕鈷髏i i ；愛；瓤蕤警酉齋舔矍霉堡篷晤霧塞囊臻囊薹劍； 嘲律慷餮蕊囂涉糞p z t 蓄薹霎塑霎鏨薹鎣靜譽(yù)薊廁畫囂瓢觚羹霧一； 親帛簍f 踣。翼黜室f ；藿壓電改睜爵蠹羹羹臌蓁；潿一疆w 州羹“蓁p z t 第二章壓電微懸臂梁靈敏度優(yōu)化 第二章壓電微懸臂梁靈敏度優(yōu)化 本章摘要：微懸臂梁型壓電微傳感器是靈敏的力探測(cè)和微質(zhì)量檢測(cè)元件。本章 首先根據(jù)微懸臂梁的基本理論，對(duì)p z t 壓電微懸臂梁的機(jī)械參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算， 并由高斯定理推導(dǎo)了壓電微懸臂梁的壓電輸出性能。在此基礎(chǔ)上，分析了影響 力探測(cè)和微質(zhì)量檢測(cè)的分辨率的要素，并從提高靈敏度的角度對(duì)微懸臂梁的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)微懸臂梁陣列特點(diǎn)，分析了微懸臂梁陣列并行 工作系統(tǒng)應(yīng)采用的工作模式以及實(shí)現(xiàn)方法。 2 1 壓電微傳感器的檢測(cè)分辨率 諧振式壓電微傳感器主要分為兩種，一種是單自由度彈性器件，一種是超聲 器件。前者以壓電微懸臂梁為代表，以對(duì)微小量的測(cè)量為主，大多應(yīng)用于基于 掃描力顯微術(shù)的納米領(lǐng)域性質(zhì)測(cè)量；后者以聲表面波器件為代表，以對(duì)較宏觀 的量為主，在氣體、生物傳感等方面具有優(yōu)勢(shì)，并且逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品。 對(duì)以壓電微懸臂梁為代表的單自由度壓電微傳感器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的檢測(cè)分辨率 取決于系統(tǒng)的噪聲水平。系統(tǒng)的噪聲來(lái)源于兩個(gè)方面，一方面是系統(tǒng)與周圍環(huán) 境發(fā)生熱交換引起的熱噪聲【6 8 1 ；一方面是壓電微傳感器的微弱信號(hào)在轉(zhuǎn)換和放 大過(guò)程中，由電路和測(cè)量?jī)x器所引入的噪聲。前者是壓電微傳感器檢測(cè)分辨率 的物理極限，后者則是微弱壓電信號(hào)檢測(cè)中需要進(jìn)行避免或抑制的。通過(guò)對(duì)測(cè) 量系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行優(yōu)化以及噪聲抑制，如補(bǔ)償系統(tǒng)的漂移等，最終系統(tǒng)將面 臨由熱力學(xué)因素所決定的檢測(cè)分辨率物理極限f 6 9 】f 7 0 】。 壓電微懸臂梁的熱機(jī)械噪聲來(lái)源于微懸臂梁與環(huán)境的熱平衡。微懸臂梁的機(jī) 械能由于能量耗散的原因轉(zhuǎn)化為熱量流失，其能量耗散得越快，微懸臂梁的振 動(dòng)達(dá)到熱平衡的速度越快，品質(zhì)因數(shù)q 越低。反過(guò)來(lái)，環(huán)境的熱噪聲也使得微 懸臂梁產(chǎn)生一定的隨機(jī)振動(dòng)。對(duì)于能量耗散與隨機(jī)熱激勵(lì)的關(guān)系在統(tǒng)計(jì)學(xué)的“起 伏散逸定理”( f l u c t u a t i o n d i s s i p a t i o nt h e o r e m ) 中有所論述?！捌鸱⒁荻ɡ怼辈?僅適用于電阻的j o h n s o n 噪聲計(jì)算，也適用于機(jī)械系統(tǒng)的噪聲計(jì)算。 最小檢測(cè)分辨率是壓電微傳感器最重要的性能指標(biāo)。為了得到檢測(cè)分辨率與 壓電微傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)器件的設(shè)計(jì)加工進(jìn)行指導(dǎo)。我們將從壓電微 1 4 第二章壓電微懸臂粱靈敏度優(yōu)化 懸臂梁的物理模型與熱力學(xué)基本原理出發(fā)，得到檢測(cè)分辨率與壓電