压电薄膜技术精品

压电薄膜技术

1压电薄膜概述

体材料（单晶和陶瓷）构成的压电器件因受尺寸限制，应用频率一般比较低，压电薄膜可大大提高工作频率。压电薄膜兼有单晶和陶瓷的优点：即表面光滑致密，容易制造，价格低廉，便于调变，性能可靠稳定。此外，使用薄膜，可以通过调节薄膜厚度，基片类型和电极形式来调整器件的性能。更重要的是，使用薄膜可以使压电器件到的平面化和集成化，使压电材料与半导体材料紧密结合，实现压电与载流子、声波与光波的相互作用，制成各种新型压电与声光的单片集成器件。一般压电薄膜可以通过特殊方法实现与微机电系统工艺的结合，制造成为微机电系统意义上的微型传感器和执行器。此类微型传感器贴在物体表面，在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征，同时这用材料具有热放电效应，可用做温度传感器。目前，压电陶瓷薄膜已经在惯性器件、声表面波器件等方面得到广泛应用，成为微定位、微驱动的主要解决方法。

常见的压电薄膜材料主要包括具有铁电性的PZT薄膜、BaTiO3薄膜等，以及不具有铁电性的ZnO薄膜、AlN薄膜等。虽然铁电薄膜的压电效应比非铁电性压电薄膜强，但使用较多的还是ZnO和AlN等非铁电薄膜。

该类非铁电性压电薄膜的始于1963年美国Bell实验室用CdS薄膜实现VHF和UHF频带的体超声波换能器的研究成果。此后，1965年采用反应溅射制备了ZnO压电薄膜。1968年Wauk和Winslow采用蒸发的方法在氮气和氨气气氛中蒸镀金属Al得到AlN压电薄膜。1979年日本的Shiosaki采用射频磁控溅射在玻璃和金属基板上制备了性能较好的AlN压电薄膜，其声表面波机电耦合系数可达0.09%~0.12%。20世纪70年代，CdS薄膜和ZnO薄膜已经走向实用化阶段。

AlN作为宽带隙的直接帯隙半导体，是一种重要的蓝紫光的发光材料。同时，因具有高热导率、高硬度、高熔点和高化学稳定性、大的击穿场强和低介电损耗，尤其是AlN与Si、GaAs等常用半导体材料的线膨胀系数相近及兼容性好等特点，AlN薄膜可用于高温、高功率的微电子器件。此外，在所有无机非铁电性压电材料中，声表面波沿AlN晶体c轴方向的传输速率最大。因此，具有良好取向的AlN薄膜可用来制作优良的声表面波器件和体波器件。

2压电效应简介

在电场作用下，晶体中的带电粒子可以相对位移而发生极化。在应力作用下，晶体中的带电粒子也发生相对位移。对某些晶体，带电粒子相对位移后正负电荷中心不再重合，因而发生极化，在其两端表面上出现符号相反的束缚电荷，并且面电荷密度与应力之间为线性关系。这种由机械应力面产生表面电荷的效应，称为正压电效应。晶体的这一性质就称为压电性。当晶体受到电场作用时它的某些方向上出现应变，且应变与场强之间是线性相关的，这种现象称为逆压电效应。

正压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变，而引起带电粒子的相对位移，使晶体的总电矩发生变化而造成的。晶体是否具有压电性是由晶体结构的对称情况决定的。若晶体具有对称中心，它不可能具有压电性；因为这种晶体中，正负电荷中心的对称排列不会因形变而破坏。所以，机械力的作用不能使它发生极化。具有对称中心的晶体，其总电矩始终为零，因而不可能具有压电性。

3结构初探

真空沉积的压电薄膜通常是高度多晶的。各微晶间有程度不同的错向。每个微晶就是一

个小单晶。若所有微晶取向相同，并同相驱动时，则其压电效用实质上如同单晶。各微晶间的任何取向差，都会导致机电耦合系数降低，并同时产生纵波和横波。若围绕微晶的最佳取向，各微晶的无规偏向能以相互补偿。这时，只是略为降低压电耦合。若是从最佳取向，微晶的平均取向有所偏离，将导致在薄膜中同时产生出纵波和横波。因此，要得到具有优良压电性质的压电薄膜，结构上必须保证：

1) 各微晶基本上要取向相同；

2) 各微晶的平均取向对最佳取向的偏离程度不能太大； 3) 各微晶取向的分散程度不能过大。

4介电性能浅析

压电薄膜的介电性能包括介电常数、介质损耗、电阻率和击穿场强。因为其介电常数影响压电薄膜换能器的静态电容量和分布电容量，所以要求介电常数要小。否则，压电器件的性能，特别是其高频性能将要显著变坏。薄膜的介质损耗是压电器件插入损耗的一个组成部分，因而希望其介质损耗要小。

压电薄膜的电阻率不但引起一部分介质损耗，而且决定着薄膜的弛豫频率，由于压电器件的工作频率要远高于弛豫频率，所以为了使压电薄膜能用于各种压电器件，特别是频率不高的器件，要求它具有很高的电阻率。另外，弛豫频率越低，才能越加显示薄膜的压电性能。

因为压电薄膜的厚度一般都很薄，所以为了保证器件的可靠性、特别是电压较高的大功率器件的可靠性，要求薄膜有相当高的击穿场强。

虽然压电薄膜为单晶薄膜或者为择优取向的多晶薄膜，但在其中原子的堆积却不像在晶体中那样紧密和有序，因此，压电薄膜的介电常数值与晶体的数值略有差异。除此以外，还有在薄膜中常有较大的残余内应力，以及测量上的原因，也导致薄膜的介电常数值不同于晶体的相应数值。压电薄膜的介电常量有相当大的分散性，其原因在于内应力大小和测试条件不同，此外，成分偏离化学计量比和薄膜厚度差也使其分散性增大。

压电薄膜的介电常数随温度、频率的变化而发生明显的变化，其中铁电性薄膜的介电常数变化比较大。当薄膜的结构不够致密时，它的介电常数还随相对湿度的增大而有显著的变化。

因为电介质的击穿场强属于强度参数，而且在薄膜中又难免有各种缺陷，所以压电薄膜的击穿场强有相当大的分散性。按电介质的击穿理论，对于完好无缺的薄膜，其击穿场强应该随薄膜厚度的减小而逐渐增大。但实际上，因为薄膜中含有不少缺陷，厚度越小时缺陷的影响越显著，所以在厚度减小到一定数值以后，薄膜的击穿场强反而急剧变小。对薄膜击穿场强，除了薄膜自身的原因外，还有测试时，电极边缘的影响。由于薄膜越厚，电极边缘的电场越不均匀，所以导致随薄膜厚度增大，其击穿场强逐渐降低。此外，介质薄膜的击穿场强还依从于薄膜的结构。对于压电薄膜，其击穿场强还与电场方向有关，也就是说，它在击穿场强方面是各向异性的。由于在多晶薄膜中存在晶界，所以它的击穿场强低于非晶薄膜。与此类似，择优取向的多晶压电薄膜在晶粒取向方向的击穿场强，比垂直该方向的击穿场强低。和其它介质薄膜一样，压电薄膜的击穿场强还与一些外部条件有关，比如电压波形、频率、温度和电极等。

5压电性能梗概

为了使压电器件和声光器件达到薄型、量轻和小型化，特别是为了达到平面化和集成化，必须应用压电薄膜。因为体声波压电换能器的最重要的特性参数是谐振频率、声阻抗和机电耦合系数，所以对压电薄膜的声速及温度系数、声阻抗和机电耦合系数要求特别严格。而薄膜的这些性能不但取决于薄膜内晶粒的弹性、介质、压电和热性能，而且还与压电薄膜的结

构、如晶粒堆积紧密程度和择优取向等密切相关，因此，要得出体波性能优异的压电薄膜，除选用优良性能的晶粒外，还要使用先进的薄膜制备技术。压电介质中的声表面波具有以下特性：第一，声表面波有三个方向的质点位移分量，并且在一般情况下，这些质点位移分量既不与波的传播方向相同，也不与波的传播方向垂直，因而质点的位移轨迹比较复杂。第二，压电介质中声表面波的速度是传播方向的函数，并且波的相速和能量传播速度方向不同。第三，质点位移振幅随着离开介质表面的距离的增大，迅速衰减，因此声表面波能量主要集中在表面以下的一两个波长的范围内。

6压电薄膜的运用简述

压电薄膜广泛运用于各种存储器件、传感器件与换能器件以及光电子学器件。特别是在制备铁电动态随机存取存储器、薄膜型室温红外探测器、薄膜型压电马达、超声探测器、薄膜电容器和集成光波导器件等方面，压电薄模已经成为首选。

6.1超声换能器件

采用压电陶瓷和压电晶体的超声传感器和换能器的上限工作频率为100 MHz，实际上当频率超过10 MHz时，由于器件厚度太大，制造和使用上都不方便。现代技术，如超声显微镜、光声技术等要频率上限高达1 GHz的超声传感器及换能器。压电薄膜在制备技术上的突破为满足这一要求提供了可能。

6.2在声表面波器件中的应用

声表面波器件是利用叉指状电极在压电体中激发起沿着表面层传递的高频超声波。可用于实现滤波、延时、脉冲的压缩和扩展、卷积等多种电子学功能。在通信领域中，滤波器、高频振动器、卷积器、延迟线等都是声表面波器件。

6.3在微机电系统中的应用

传感器和驱动功能是微机电系统技术的核心。微机电系统技术的发展要求其材料能对外界信号做出灵敏的响应或输出较大的应力和应变。压电材料特别是锆钛酸铅系的PZT压电材料，具有显著的正压电效应和逆压电效应，在传感应用时具有高灵敏度和低电噪声的特点，在驱动应用时，具有很高的响应速度和较大的输出应力，从而在微机电系统中处于重要地位。现有的压电微机电系统器件有悬臂梁驱动器、原子力显微镜探针、超声微马达和微泵等。另外，利用PZT压电薄膜良好的热释电性，还制造出气体传感器、火焰探测器和复杂的热成像阵列等。

6.4柔性复合压电薄膜的应用

由于柔性复合薄膜材料具有高的水声传感灵敏度、高的机电耦合系数，低的声阻抗和优良的柔顺性，可制成面积大、形状复杂的制品。同时膜表面可沉积金属化层，用光刻法在膜层上制成接收极和发射极，通过画电极图样的方法，消除各阵元之间的相互干扰起到声隔离的效果。具体运用于水声检测、超声成像仪、胎儿心音探测用换能器、子宫收缩监视仪、血压计/脉搏计、起搏计、心搏监控呼吸及血液流动测量计、扬声器、耳机、乐器用拾声器、微音器、打字机键盘、无接点开关、坐标输入装置、显示板、电话和计算机接头、PVDF双晶大面积显示器件等。

8前景及问题

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