鋯鈦酸鉛薄膜微機電元件製作之特性量測與分析

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墜崇安(Chung-An Tsui) 查詢紙本館藏

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機械工程學系

論文名稱

鋯鈦酸鉛薄膜微機電元件製作之特性量測與分析

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摘要(中)

本論文利用微機電製程，研究製作性能良好的壓電元件，首先將鋯鈦酸鉛溶液旋塗在微懸臂樑，以不同的軟硬烤溫度及不同的退火方式，利用溶膠凝膠法(sol-gel method)將壓電薄膜旋轉塗佈在元件上。薄膜品質利用X光繞射、鐵電分析及光學顯微鏡等量測方式來判斷，由於面積較大的薄膜試片容易產生缺陷而造成短路，所以採取小面積的方式來製作，使缺陷變少。
由光學顯微鏡判斷出的薄膜品質，以編號1、2的參數表現最好，這兩個參數分別是軟硬烤150 ℃(5 分鐘)/250 ℃(10 分鐘)/快速退火600 ℃(1 分鐘)、650 ℃(1 分鐘)/高溫爐退火600 ℃(12 分鐘)、650 ℃(12 分鐘)，再比較X光繞射儀的峰值大小，我們可以發現，退火600 ℃的峰值最高，650 ℃居中，700 ℃最低。最後，比較鐵電分析儀量測出的殘餘極化量值，以相同的去水相與熱烈解的溫度下，再經過上述的快速退火與兩階段高溫爐退火溫度後，特性表現也較好。綜合以上討論，編號1、2的參數，最適合製作壓電薄膜。
微懸臂樑面積設計為1000x2000 μm2，並利用雷射位移感測器(keyence LK-H150) ，在光學桌上使用訊號產生器來調頻找出懸臂樑的共振頻率及震動模態。

摘要(英)

In this thesis, MEMS (Microelectromechanical Systems) device was designed and fabricated. Sol-gel PZT was spun on the micro cantilever by using various baking and annealing conditions. The thin film quality was optimized by using XRD, ferroelectric analyzer, and optical microscope. Since thin film of larger area tends to have cracks and cause short circuit problem, device of small area was used to improve the performance of MEMS device.
The following steps were taken to examine the quality of the films. First, optical microscope was used to distinguish the quality of the films. Among all, sample No. 1 and No. 2 have better performance. Sample No.1 was prepared with drying and pre-baking at 150 °C for 5 minutes and 250 °C for 10 minutes, rapid annealing at 600 °C for 1 minute, and furnace annealing at 350 °C for 10 minutes and 600 °C for 12 minutes. Sample No.2, has the same parameter as sample No.1., except that the rapid annealing temperature and the furnace annealing temperature were 650 °C. Second, the X-ray diffraction was used to find out the crystal orientation. Finally, the remanent polarization of each sample was measured with the ferroelectric analyzer. The results indicated that the characterizations of sample No. 1and 2 were relatively better than those of the others.
The size of the micro-cantilever was chosen to be 1000x2000 μm2. To measure the resonance frequency of the micro-cantilever, the laser displacement meter(KeyenceLK-H150) was utilized.

關鍵字(中)

★ 微機電
★ 鋯鈦酸鉛

關鍵字(英)

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
符號對照表 ix
第1章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 論文架構 2
第2章基礎理論 3
2.1 壓電材料 3
2.2 壓電效應 4
2.3 壓電材料之應用 6
第3章壓電薄膜之發電元件製作 8
3.1 壓電薄膜發電元件製作 8
3.1.1光罩設計 15
3.1.2元件尺寸 17
3.1.3壓電元件製作 20
3.1.3.1基板的選取與製作 20
3.1.3.2 KOH背蝕刻 21
3.1.3.3製作下電極 21
3.1.3.4旋塗PZT 21
3.1.3.5製作上電極 22
3.1.3.6釋放懸臂梁 22
3.1.3.7極化電極 23
第4章壓電薄膜性質量測 24
4.1 以光學顯微鏡觀察薄膜表面 24
4.1.1 不同加熱溫度與不同退火溫度的比較 25
4.1.1.1相同去水相與熱烈解溫度150℃/250℃下，有無進快速退火爐的比較:編號01、04；編號02、05；編號03、06 26
4.1.1.2相同軟硬烤溫度180℃/350℃下，有無進快速退火爐的比較: 編號07、10；編號08、11；編號09、12的比較 29
4.1.1.3不同的軟硬烤溫度下，相同的退火方式與溫度的比較: 編號01、07；編號02、08；編號03、09的比較 31
4.1.1.4不同的軟硬烤溫度下，相同的退火方式與溫度的比較: 編號04、10；編號05、11；編號06、12的比較 34
4.1.2 元件製作流程圖片 37
4.2 X光繞射量測(X-Ray Diffractometer) 40
4.2.1 X光繞射理論 40
4.2.2 編號01-12的XRD圖的分析比較 41
4.2.2.1去水相與熱烈解150/250℃；快速退火爐600℃、650℃、700℃；高溫退火爐退火600℃、650℃、700℃:編號01、02、03的XRD圖比較 41
4.2.2.2去水相與熱烈解180/350℃；快速退火爐600℃、650℃、700℃；高溫退火爐退火600℃、650℃、700℃:編號07、08、09的XRD圖比較 42
4.2.2.3去水相與熱烈解180/350℃；快速退火爐600℃、650℃、700℃；高溫退火爐退火600℃、650℃、700℃:編號07、08、09的XRD圖比較 42
4.2.2.4去水相與熱烈解180/350℃；高溫退火爐退火600℃、650℃、700℃:編號10、11、12的XRD圖比較 43
4.3 電滯曲線量測(P-E CURVE) 44
4.3.1 P-E curve量測與分析 48
4.4 微臂樑模擬與分析 49
第5章實驗結果與分析 50
第6章結論 51
6.1 未來研究方向 52
參考文獻 53
附錄A 元件製作流程表 55
附錄B元件製作設備與量測的儀器之圖片與功能介紹 61
圖目錄
圖2-1 正壓電效應 4
圖2-2 逆壓電效應 5
圖2-3 Kymissis等人所發展之壓電鞋 6
圖2-4微懸臂樑式發電機示意圖 7
圖3-1光罩示意圖 15
圖3-2 AZ5214曝光顯影後的形狀 16
圖3-3 S1818曝光顯影後的形狀 16
圖3-4光罩重疊示意圖 16
圖3-5氫氧化鉀蝕刻矽之示意圖 18
圖3-6背面開洞示意圖 18
圖3-7(a) 第一道，蒸鍍下電極，單位:mm 19
圖3-7(b) 第二道，蝕刻PZT的區域，單位:mm 19
圖3-7(c) 第三道，蒸鍍上電極，單位:mm 19
圖3-7(d) 第四道，乾蝕刻懸臂樑ㄇ字型的區域，單位:mm 19
圖3-8極化儀器示意圖 23
圖3-9極化升溫曲線圖 23
圖4-1編號01、04的比較 27
圖4-2編號02、05的比較 27
圖4-3編號03、06的比較 28
圖4-4編號07、10的比較 30
圖4-5編號08、11的比較 30
圖4-6編號09、12的比較 31
圖4-7編號01、07的比較 32
圖4-8編號02、08的比較 33
圖4-9編號03、09的比較 34
圖4-10編號04、10的比較 35
圖4-11編號05、11的比較 36
圖4-12編號06、12的比較 37
圖4-13第一道-沉積下電極 38
圖4-14第二道-蝕刻PZTㄇ字型的區域 38
圖4-15第三道-沉積上電極 39
圖4-16第四道-使用乾蝕刻懸浮懸臂樑 39
圖4-17微懸臂樑全圖 39
圖4-18編號01、02、03的XRD圖比較 41
圖4-19編號04、05、06的XRD圖比較 42
圖4-20編號07、08、09的XRD圖比較 42
圖4-21編號10、11、12的XRD圖比較 43
圖4-22遲滯曲線 44
圖4-23(a)~(f) 45
圖4-23(g)~(m) 46
圖4-24模擬微懸臂樑在共振頻下的位移大小 49
圖4-25掃描微懸臂樑的共振頻率與位移大小 49
表目錄
表2-1壓電材料的分類 3
表3-1氫氧化鉀蝕刻矽的開口公式 18
表3-2化學溶液整理表 20
表4-1壓電薄膜製作參數 25
表4-2 X光繞射角度 40
表4-3殘留極化量(Pr)的公式 44
表4-4 P-E curve特性量測表 47
符號對照表
符號

設計開口上方的長度與寬度的大小，單位為mm

懸臂樑的厚度，單位為mm

殘餘極化量，單位為C/cm2

庫倫，單位為C

伏特，單位為V

工作面積，單位為cm2
P 晶體的電極化率，單位是C/m2
d 壓電常數，單位是C/N
σ 應力，單位是N/m2
S 晶體的楊氏模量
dt 壓電常數，單位是m/V
E 電場強度適量，單位是V/m

參考文獻

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[14] 劉年晟,“PZT壓電厚膜之製程及添加劑之影響探討”,逢甲大學機械工程所,民國93年7月

指導教授

陳世叡(Shih-Jui Chen)

審核日期

2013-8-21

推文