基于场致相变应变效应的反铁电厚膜微悬臂梁驱动构件研究

在外电场诱导作用下，反铁电材料由反铁电态转变为铁电态，同时伴随着材料体积的巨大变化，从而引起极大的相变应变效应，且相变时间极短，因此基于反铁电材料的外场诱导的相变应变效应，利用MEMS技术实现反铁电材料与硅微器件的异质集成，将为快速响应、大位移量微执行器的研发开辟一种新途径。本论文针对(Pb,La),(Zr,Ti)O3反铁电厚膜的制备工艺及相变行为进行了详细的研究，并利用MEMS工艺实现了基于该材料的微悬臂梁驱动构件，并对其响应执行能力进行了系统的研究，旨在为反铁电材料在新型功能材料器件的实际应用中提供实验基础和理论指导。采用溶胶-凝胶技术成功实现了3-5μm的反铁电厚膜异质集成制造工艺，探索了溶胶浓度、热处理工艺，退火温度对反铁电厚膜结构和介电性能的影响，结果表明：0.4mol/L溶胶浓度，多步循环退火工艺、700oC退火温度适合制备反铁电厚膜。通过电场调控温度诱导相变和温度调控电场诱导相变行为的研究得到：在电场调控作用下，厚膜随着温度的升高发生反铁电-铁电相变和铁电-顺电相变，且随着电场增大，相变温度差增大；通过高斯多峰拟合，对反铁电厚膜的温度诱导相变曲线进行拟合并得到两个相变峰，由温度调控电场诱导反铁电-铁电相变曲线表明这两个峰分别为反铁电-铁电相变峰和铁电-顺电相变峰。结果表明：反铁电厚膜中一直存在反铁电-铁电相变峰和铁电-顺电相变峰，且随着电场增大两相变峰差增大。通过MEMS工艺加工出基于反铁电厚膜的微悬臂梁驱动构件，并对其响应执行性能进行了系统的研究。基于激光多普勒测振技术，详细分析了扫频模式（Scan）、定频模式（Sine）、定频模式（Square）三种方式对微悬臂梁力学特性的影响；并验证了微悬臂梁驱动构件反铁电开关特性；分析了所加工的悬臂梁的响应执行能力，得到随着梁长度的增大，微悬臂梁的谐振频率减小，梁的最大速率减小，最大位移增大。