【摘 要】
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采用PZT压电陶瓷制备的压电悬臂梁,是制备振动能量采集器的关键元件。本文详细介绍了压电悬臂梁的制备步骤,并着重探讨了其中最为关键的PZT铁电薄膜制备以及器件流片工艺。本
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采用PZT压电陶瓷制备的压电悬臂梁,是制备振动能量采集器的关键元件。本文详细介绍了压电悬臂梁的制备步骤,并着重探讨了其中最为关键的PZT铁电薄膜制备以及器件流片工艺。本文通过Sol-Gel法,采用全国产试剂制备PZT铁电薄膜。利用单因素变量法分别研究了浓度、pH值、温度对前驱体溶胶的影响以及热处理和退火工艺对薄膜形态的影响,并最终确定工艺方案。在Pt/Ti/SiO2/Si基片上制备出厚度为2μm的PZT铁电薄膜。采用SEM对薄膜的表面和截面形态进行了表征,发现薄膜晶粒饱满、结构致密,与基底结合力好。通过XRD分析了基片和退火制度对薄膜晶体结构的影响,发现Pt/Ti基底有利于提高晶向一致性并促进钙钛矿结构的形成,退火温度的升高和退火时间的增加有利于(111)晶向的生长。电学性能方面,利用TR66A铁电测试仪测试了薄膜的电滞回线,发现(111)择优取向的晶体的铁电性能较为理想。制备出样品的剩余极化Pr为19.94μC/cm2,矫顽场Ec为11.60 kV/cm。利用湿法化学蚀刻、RIE干法蚀刻、UV-LIGA等流片工艺,将上述PZT薄膜制备成压电悬臂梁。通过设计梯形悬臂梁增加发电效率,并通过在悬臂梁尖端放置Ni质量块来降低谐振频率,最终制备的压电悬臂梁长×底宽×尖宽为2000μm×750μm×500μm,在频率为155Hz/1g加速度激励下,开路电极间输出电压峰峰值Vp-p达984 mV。此外,本文还制备了一个防水的悬臂梁能量采集器模型并进行了实际应用研究,证明其可以在液体环境下由超声波驱动发电。
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