ZnO:Li薄膜压电式压力传感器研究

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针对电子血压计和制氧机的动态压力测量(0~100 kPa),结合ZnO:Li薄膜d31和d33两种压电工作模式,本文基于MEMS技术给出两种压电式压力传感器结构,即平行板电极压电式压力传感器(PESPE)和叉指电极压电式压力传感器(PESIE)。传感器由弹性元件和压电元件两部分组成,弹性元件为方形硅膜,压电元件分别为Ti/Pt/ZnO:Li/Si O2/Al和ZnO:Li/Al。当传感器感受外加压力(P)时,弹性元件产生弹性形变,基于压电效应,ZnO:Li薄膜将形变量转化为输出电压,可实现一定范围内的压力测量。采用程序包VASP分析Li掺杂ZnO前后的电子结构及弹性力学性质,利用射频磁控溅射法研究ZnO:Li压电薄膜制备,通过XRD、EDS、AFM和准静态压电系数测试仪分析薄膜微结构和压电特性等。当溅射功率和沉积温度分别为125 W和300℃时,ZnO:Li薄膜压电系数d31和d33分别为1.5 p C/N和2.2p C/N。采用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 5.6构建压力传感器结构仿真模型,研究结构参数对压力传感器的力学特性和压敏特性的影响,结果表明,压力传感器谐振频率为6.3 MHz,在0~100 kPa范围内PESPE和PESIE灵敏度分别为0.12 m V/kPa和3.25 m V/kPa。在此基础上,本文采用MEMS技术在4英寸硅片上研究ZnO:Li薄膜压电式压力传感器芯片的晶圆级制作和芯片封装工艺。在室温条件下,采用自主搭建的动态压力测试装置研究传感器压敏特性,对平行板电极式压力传感器,P=10 kPa时输出电压峰峰值为17.10 m V,P>20 kPa时输出电压峰峰值保持20.36 m V左右不变。对叉指电极式压力传感器,P=150 kPa时输出电压峰峰值为28.27 m V,上升时间为0.2 s,下降时间为6.4 s;在0~150 kPa的压力范围内,灵敏度为0.13 m V/kPa,表明该结构可实现动态压力测量。
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