基于反铁电材料外场诱导相变效应的智能传感与执行机构基础研究

将反铁电功能材料与MEMS技术相结合，利用反铁电材料外场（电场、温度及应力）诱导相变下的高密度相变电流和大场致相变应变效应，为高灵敏智能传感器件和快速响应大行程执行机构设计开发提供了新的思路。本项目拟采用溶胶-凝胶技术，实现具有优异相变特性的(Pb,La)(Zr,Ti)O3（PLZT）反铁电厚膜材料与硅基衬底的异质集成制造；开展基于硅基反铁电厚膜材料外场（单一场和耦合场）诱导相变效应的智能传感与执行机构基础研究，揭示反铁电厚膜材料在单一场和耦合场作用下的结构相变调控规律，建立其相变脉冲电流强度、相变应变效应与外场环境之间的依赖关系；结合微机械加工技术，设计制造基于反铁电厚膜材料相变效应的智能传感与执行机构，系统研究硅微机构在单一场和耦合场调控作用下的传感感知与响应执行特性，为新型高灵敏微传感器和大行程微执行器设计开发提供基础理论依据和关键技术支持。

具有高可靠性、复杂环境适应能力的多场耦合智能传感与执行技术为应用所迫切需求，是当前智能化微传感与执行机构发展的重要方向。反铁电材料厚膜智能传感微执行机构具有高响应速度、低驱动电压、大输出力和大位移量等优点, 是高度智能化、集成化的前沿研究领域-微机电系统中的核心驱动构件。.本项目研究基于反铁电材料外场诱导相变效应将反铁电功能材料与MEMS技术相结合，利用反铁电材料外场(电场、温度场及应力)诱导下的相变瞬态电流和场致相变应变效应，为高灵敏多功能智能传感和快速响应大行程执行机构设计开发提供了新的思路。系统研究了微纳尺度下反铁电电材料机电转换效应及电力能量转换机理。建立高灵敏多功能微传感器和快速响应大行程微执行器的结构模型并对器件结构进行静态分析、模态分析、谐响应分析，结合微机械加工工艺限制条件，得出最优的加工尺寸。采用溶胶-凝胶技术，实现了(Pb,La)(Zr,Ti)O3反铁电厚膜材料与4英寸Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)硅基衬底的异质集成制造；进行了硅基反铁电厚膜材料外场(电场、温度及应力)诱导相变效应的智能传感与执行机构研究，揭示反铁电厚膜材料在外场(电场、温度及应力)耦合作用下的结构相变调控规律，建立了相变脉冲电流强度、相变应变效应与外场环境之间的依赖关系。通过设计版图，结合体硅加工工艺、表面微加工工艺、LIGA工艺、键合工艺，完成了5种不同尺寸的PLZT反铁电厚膜的微悬臂梁驱动构件的设计加工， 其体结构尺寸为长、宽、厚分别是400μm×40μm×10μm，450μm×40μm×10μm，500μm×40μm×10μm，600μm×60μm×10μm，650μm×60μm×10μm。实验结果表明智能引信安全保险解除开关的高脉冲电流强度达1.25×10-6 A/cm2，开关响应时间达850ns，体积处于µm3量级，远远小于压电陶瓷驱动器的体积mm3量级。采用激光多普勒测振技术，测试了所制备微悬臂梁结构的开关响应特性，获得了其动态响应特性参数, 首次报道了电场驱动控制行程位移45.7 μm的硅基反铁电厚膜微悬臂梁构件（梁长650 μm，梁宽60 μm，梁厚10 μm），其驱动能力在国际上达到先进水平。该测试结果为基于PLZT 反铁电材料的高灵敏微传感器和大行程微执行器件在微机电器件及系统中的实用化应用提供理论依据和技术支持。