用于压电单晶薄膜晶圆制备的键合面清洗技术研究

高性能薄膜声表面波滤波器对压电单晶薄膜晶圆键合面的洁净度提出了严苛的要求。目前采用的常规清洗技术对因离子注入后而残留的大量颗粒等污染物的去除效率低,导致键合晶圆存在较多气泡或者空洞,因此提出了一种采用硫酸与过氧化氢混合溶液(SPM)清洗和新型复合清洗液刷洗清洗技术的两步清洗法。采用此工艺后,晶圆表面的颗粒数由离子注入后的148000降到23,有效去除了晶圆键合面沾污、颗粒等污染物,显著提高了键合晶圆的质量。该清洗技术已成功应用于压电单晶薄膜晶圆LTOI材料的制备。

基于压电单晶的宽频带复合棒换能器研究

声场为当前水声探测中最重要的、可用的物理场。水声换能器作为声波产生、发射和接收的基本装置,是水声技术发展关注的重点。其中,尺寸小、重量轻、低频、宽带、大功率、抗振动为水声换能器研究和发展的重要方向。为提高复合棒换能器的声学性能,以锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶材料分别作为换能器的驱动元件,通过有限元仿真计算、设计加工及试验验证,进行了宽频带复合棒压电单晶换能器的研究,最后对2种换能器进行对比分析,进一步研究宽频带压电单晶换能器在低频、宽带、收发、加速度灵敏度等特性上的优势。研究结果表明,宽频带PMN-PT压电单晶换能器与相似规格的PZT-4压电陶瓷换能器相比,最大发送电压响应高3.4 dB,发送电压响应-6 dB带宽向两端拓展了5.5 kHz;最大接收灵敏度高4 dB,自由场接收灵敏度-6 dB带宽向两端拓展了8.1 kHz;加速度灵敏度更低,抗振动性能更好。

新型压电单晶PMNT的生长和性能研究

在突破了传统的助溶剂方法生长弛豫铁电单晶限制的基础上,用Bridgman方法生长出了大尺寸高质量的PMNT单晶,并根据它的性能特点,探索了它的潜在应用.结果表明,PMNT单晶在各种压电换能器中有广泛的应用前景.

压电单晶悬臂梁的输出电压测试分析

通过有限元分析软件ANSYS对压电单晶悬臂梁进行仿真分析,再经实验,研究了基板材质、粘结胶、激振力加速度和激振频率对输出电压的影响。结果表明,弹性模量较大的基板能提高输出电压,采用不导电胶比导电胶的输出电压大;压电悬臂梁对激振频率有很好的选择性,当频率为33 Hz时,输出电压为25.3 V;这有助于优化器件结构,设计出理想的压电能量收集器件。

压电单晶薄膜衬底光刻工艺研究

单晶薄膜声表面波(SAW)滤波器因其低损耗,低频率温度系数及大带宽而成为高性能SAW滤波器未来发展的方向。针对单晶薄膜衬底反射带来的换能器指条锯齿和均匀性恶化的问题,该文采用了有机抗反射膜工艺,通过控制抗反射膜的膜厚将衬底的相对反射率由15.84%降低至1.08%,制作出整齐无毛刺的叉指换能器指条,并将SAW谐振器的伯德Q(Bode-Q)值由1400提升到1950。

铁电唯象理论在压电单晶工程化畴研究中的应用

本文运用朗道—德文希尔自由能函数计算了钙钛矿型固溶体压电单晶在自发极化方向的压电常数d3 3 及工程化畴化方向的压电常数d′3 3 。研究结果表明 ,工程化畴方向具有比自发极化方向更优越的压电性能 ,当晶体的成分越靠近准同型相界的时候其压电常数越大 。

新型压电单晶PMNT的退火与极化

采用Birdgman方法生长出了大尺寸、高质量的PMNT单晶 ,其压电系数d3 3 >2 0 0 0pC/N ,机电耦合系数k3 3 大于 90 %。通常生长得到PMNT单晶容易开裂 ,晶体的内应力比较大。研究结果表明单晶内的应力主要由三种因素所形成 :( 1 )由于生长炉内的温场分布不均匀 ,在单晶内形成的热应力。( 2 )生长原料为 4种氧化物组成的 ,由于原料配料和处理过程的影响 ,很难确保组分的化学配比 ,容易造成单晶的各种缺陷 ,形成结构应力。( 3)单晶在降温通过其居里点时 ,由于电畴的形成 ,相变界面上产生晶格失配 ,形成机械应力。为了防止单晶的开裂和减少其内部应力 ,我们对生长的PMNT单晶进行了退火实验 ,发现PMNT单晶在超过一定的温度时 ,容易产生各种焦绿石相。在不同保温和降温速率条件下进行退火 ,通过比较样品的介电常数和压电常数d3 3 的变化 ,我们找到了既保持单晶介电和压电性能不变 ,又能显著减小内部应力的退火条件 ,较好了防止了单晶的开裂现象。为了获得单畴化的PMNT单晶 ,我们进行了单晶的极化研究。通过对不同温度条件下PMNT单晶电滞回线的测量 ,获得了矫顽电场和温度之间的关系 ,从而确立了PMNT单晶极化的最佳温度和电场强度条件。获得了单畴化程度高的PMNT单晶 ,为PMNT晶体的实际应用奠定了基础。

新型压电单晶PMNT的下降法生长及晶体完整性

新型压电单晶PMNT具有十分优异的压电性能 ,用Bridgman法生长的PMNT单晶的电容率ε可达 5 5 0 0左右 ,纵向压电应变常量d3 3 可达 2 5 0 0pC/N以上 ,机电耦合因数k3 3 可达 93% ,kt可达 6 4 % ,机械品质因数Qm 低至 5 0～ 6 0。用该晶体取代传统的PZT系陶瓷制作成接受型超声换能器探头中的压电元件 ,可望使器件的图像分辨率与频带宽度大为提高 ,进而产生更新换代的变化。因此该类弛豫型铁电单晶在国际铁电界与晶体生长界引起了广泛的关注。然而 ,由于生长体系的组分复杂、晶相的热稳定性差 ,也由于传统生长方法的缺陷 ,包括PMNT ,PZNT与PSNT在内的这类单晶的生长仍处于实验室阶段 ,单晶的尺寸与性能难以保持稳定 ,从而阻碍了晶体的大规模开发与应用。本文在对PMN PT体系相图、相结构与相稳定性的分析与测试的基础上 ,结合对晶体生长机制的理论分析 ,找到了适宜PMNT单晶生长的方法———Bridgman法。该方法通过利用籽晶生长有效地控制了自发成核 ;通过对固液界面形状与位置的控制保持了晶体生长过程的稳定。尺寸达40× 80mm的、纯钙钛矿相的、三方或四方结构的PMNT单晶已生长出来。对PMNT单晶的完整性进行了分析研究。该晶体的组分不均匀性通过铁电性能 ,如电容率ε及压电常量d3 3 等灵敏地显示出来 ,?

Pb[(Zn_(1/3)Nb_(2/3))_(0.91)Ti_(0.09)]O_3压电单晶的弛豫反常

对用改进的Bridgman法生长的Pb[(Zn1/3Nb2/3)0.91Ti0.09]O3(PZNT91/9)单晶用Laue衍射法和XRD衍射曲线定向,取(001)晶片研究材料的电学性能.结果表明,材料的介电性能呈现出明显的频率色散现象,随着测试频率的升高,介电常数的峰值温度出现反常,峰的位置向低温方向移动.用扫描电子显微镜和正交偏光显微镜研究了PZNT91/9单晶的电畴结构,发现规则排列的带状畴与杂乱分布的细畴并存.X射线荧光分析结果表明,在PZNT91/9单晶中存在着由成分分凝引起的组分变化.成分分凝引起的组分波动和电畴结构的复杂性导致了材料性能的不均匀性,并与材料铁电相变的弥散性特征相关.

圆形压电单晶执行器的静态模拟与实验验证

为了对圆形压电单晶执行器(CPUA)和基于圆形压电单晶执行器的系统(如微阀、微泵等)进行优化设计,基于经典薄板理论并将粘结层作为单独一层考虑,建立了固支边部分覆盖圆形压电单晶执行器在作用电压控制下的挠度特性模型并进行了实验验证。实验结果表明,用建立的模型预测圆形压电单晶执行器的静态挠度与实际测得值吻合,相对误差在4.83%以内,中心挠度相对误差在0.72%以内。

一种宽频带压电单晶换能器设计

为提高复合棒换能器的低频性能、工作带宽、发送电压响应和接收灵敏度,文中以铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶作为驱动元件,利用匹配层技术拓展带宽,设计了宽频带压电单晶换能器。利用有限元软件分别建立压电单晶换能器和相似规格的压电陶瓷换能器的有限元模型,完成了对PMN-PT单晶材料性能的量化评估。水池测试表明,利用PMN-PT单晶材料作驱动元件的宽带换能器与锆钛酸铅压电陶瓷PZT-4相比,频率更低,带宽更宽,发送电压响应提高3~5dB,接收灵敏度提高1~12dB,可有效提高换能器的水声探测能力。

无籽固相生长工艺制备KNN基无铅压电单晶

采用无籽固相生长技术,成功制备了低含量LiBiO_3(LB)掺杂的K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3(KNN)单晶,并系统地研究LB的掺杂量和烧结工艺(烧结温度、保温时间)对KNN晶体生长行为的影响。研究结果表明:在较窄的烧结温度范围内,通过在KNN基陶瓷中引入微量的LB,可以从基体中成功获得大的KNN单晶颗粒;当在同一烧结温度和相同保温时间条件下,随着LB掺杂量的增加,KNN陶瓷基体的晶体异常长大的转化面积逐渐减少;当样品的成分和烧结温度相同时,延长保温时间,晶粒可以继续长大。所生长的铌酸钾钠单晶最大一维尺寸达到厘米级。掺杂量为0.45at%的KNN晶体的结构和电学性能被测试分析,结果表明:所制备的KNN晶体的综合性能高于目前大部分采用的布里奇曼法、顶部籽晶生长法、浮区法等溶液/熔体法生长的KNN晶体,具有极大的潜在应用价值。

面向水声换能器的压电单晶复合材料设计研究

压电单晶复合材料具有高压电常数、高机电耦合系数和高水声优值的优点,是制备下一代高性能水声换能器的关键材料。不同类型水声换能器对压电材料的性能要求不同,如何根据器件的具体应用需求,对压电单晶复合材料的结构和性能进行设计具有重要的意义。为了能够准确选取压电单晶复合材料中压电相与聚合物相两相材料特性、体积分数、宽高比等参数,本文提出了一种将解析模型与数值模型相结合的综合设计方法。实验结果证实,该方法可以准确高效地预测1-3型压电单晶复合材料的振动模态及宏观等效性能参数,实现以器件性能为指导的压电单晶复合材料设计。

压电单晶扬声器低频性能的优化及实验研究

压电扬声器因其压电谐振式工作原理而成为顺应电子设备小型化趋势的研究热点,但是由于低频性能不突出而限制了其应用。该文为了降低压电扬声器谐振频率,在分析压电扬声器低频振动原理的基础上,提出了基于弯曲振动模态的压电单晶切型计算模型,并通过计算确定了其优化切型;利用有限元分析法验证了切型对扬声器谐振频率的影响;制作了扬声器原型器件,并对其谐振频率进行了测试与分析。结果表明,该文计算得到的优化切型将压电扬声器的弯曲谐振频率降低了约10%,证明该文提出的切型判断方法能够有效降低压电扬声器的低频谐振频率。

压电单晶双激励宽带纵向换能器

为了提高纵向换能器发射响应和工作带宽,本文以压电单晶PMNT做为有源驱动材料,采用双晶堆不同尺寸反相激励的方式,同时激发出一阶、二阶纵振模态,从而提高纵向换能器发射响应,拓宽工作频带。通过四端网络法简化换能器的等效电路并计算其发射性能,利用ANSYS软件对模型进行优化设计并制作了试验样机,最终测试数据显示在工作频带27~65 k Hz,最大发射电压响应值不低于150 d B,带内起伏小于12 d B。研究结果表明:理论计算、有限元仿真计算与实测结果基本吻合,利用双晶堆反相激励的方式可实现纵向换能器较宽频带工作。

压电单晶换能器及其温度实验研究

压电单晶作为新型的功能材料,具有声速低、应变大以及能量密度高等特点,在超声探伤、超声焊接以及水声探测等领域具有良好的应用前景。基于有限元数值计算的方法,设计了一种基于弛豫铁电单晶的复合棒换能器,进行模态和谐响应分析,并制作了换能器样机,样机测试结果与仿真计算相吻合。此外,在此基础上对样机进行温度实验,得到了该换能器谐振频率、反谐振频率、阻抗值以及机电耦合系数等随温度变化的规律,对换能器的实际应用具有指导意义。

用于矢量水听器的压电单晶面剪切模式加速度计设计

面剪切振动模式产生于[011]极化方向zxt-45°切型的压电单晶,因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点,故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择,在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理,推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型,研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律,优化结构尺寸,最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g,工作频带为20 Hz~3 kHz,横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明,与传统的剪切式加速度计相比,所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时,电压灵敏度提高了11.6%,这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。

铅基钙钛矿型压电单晶和交流极化

铅基钙钛矿型弛豫压电单晶是一种ABO_3型压电材料,其中A位阳离子为铅,B位阳离子为铌、镁、锌、铟和钛等。在准同型相界(MPB)附近,此类压电单晶的压电常数(d_(33))和机电耦合系数(k_(33))都远大于传统的PZT系压电陶瓷,自20世纪80年代以来人们对其材料制备和器件开发做了系统的研究。目前,世界上有7大公司正在大量生产和销售这种铅基钙钛矿型压电单晶材料,主要用于医疗超声波诊断仪的探头。介绍铅基钙钛矿型压电单晶的发展历史和现状,以及近年来已经成为热门话题的交流电场极化方法。