基于MEMS工艺的面内全向压电驻极体微结构设计及其在振动传感器中的应用研究

Piezoelectrets are named cellular electrets with large piezoelectric coefficients for electromechanical energy conversion, widely suited for vibration sensor applications. In previous studies, cellular electrets are in random distribution of voids with different dimensions and show uniaxial sensitivity, which became obstructions to developments of MEMS integration and all-directional vibration vector sensing. Therefore, this project proposes controllable MEMS fabricated voided electrets, and discuss its piezoelectricity and all-directional vibration sensor. Firstly, all-directional piezoelectricity of regular micro voids is modeled designed and micro fabricated based on MEMS process. Moreover, influences of fluorination treatment and magnetron assisted soft X-ray charging parameters on piezoelectret properties are widely discussed. Finally, an all-directional sensitive piezoelectret vibration sensor will be designed, micro fabricated and researched. The proposed novel piezoelectret will be a breakthrough for controllable MEMS piezoelectret fabrication, and there would be a great potential development of MEMS vibration vector sensing filed.

压电驻极体（piezoelectret）是一种具有孔洞结构及强压电效应的新一代机电转换功能材料，在振动传感技术领域应用十分广泛。然而现有的压电驻极体由于孔洞的无序性和单一轴向压电性限制了其在全向振动传感技术和微机电系统集成化中的应用。为此，本项目提出微孔结构可控制备方法，并探讨其压电机理以及在全向振动传感器中的应用。首先，通过建立全向压电理论模型研究基于MEMS工艺的有序叠层氟化高密度微孔驻极体的设计与制备技术。在此基础上，研究氟化工艺、磁增强软X射线等离子极化等参数对微孔驻极体压电性能的影响机理，为高性能压电驻极体提供理论依据。最后，开展基于有序微孔驻极体的全向MEMS振动传感器研制与性能实验研究。本项目研究成果对于充分发挥可控微孔驻极体材料的潜力，促进其在高性能MEMS全向振动传感领域的应用，有着重要的理论意义和应用价值。

本项目针对压电驻极体孔洞的无序性和单一轴向压电性无法实现全向振动传感技术和微机电系统集成化中的应用问题，研究了基于MEMS工艺的压电驻极体微孔结构可控制备方法，明晰了压电驻极体全向敏感的作用机理，建立了全向压电驻极体振动力电响应理论模型，研制了全向压电驻极体微振动传感器，并在地震动测向技术中得以验证应用。本项目研究成果对于高性能MEMS全向振动传感领域的应用，有着重要的理论意义和应用价值。.在全向压电驻极体力电耦合模型和压电效应理论研究方面，给出了Parylene 压电驻极体等效压电常数与结构刚度的显式，建立了同心圆环状空气层/驻极体层叠加结构模型，得到了多参数参数对刚度和全向等效压电效应影响规律。在此基础上，给出了全向压电驻极体力电响应耦合微分方程，分析弹簧环数、环间连接体数、电极数和振动方向角度等参数振动传感灵敏度的影响。在有序叠层氟化高密度微孔驻极体设计与MEMS工艺制备研究方面，利用了SF6/C4F8深硅等离子刻蚀工艺，形成了硅基高深宽比模板结构，采用化学气相沉积工艺填充Parylene驻极层，通过XeF2释放硅模板，最终掌握了多孔Parylene压电驻极体的制备方法，深宽比高达25:1。在压电驻极体极化研究方面，搭建了适合高深宽比压电驻极体结构的软X射线等离子极化系统，实现了深宽比高达25:1的压电驻极体侧壁的均匀极化效能，在1.0kV的偏置电压下，表面电位可达±500V，近400小时稳定性试验发现压电驻极体表面电位衰减率为20%，证实了极化电荷的高稳定性。本项目最终实现了由全向压电驻极体振动传感传感器、信号调理电路、STM32 单片机以及主控计算机组成的高灵敏面内全向振动传感系统，振动实验测试表明，该传感器开路灵敏度可达3V/g，比传统电磁式振动传感器（~mV/g）提高一个数量级，质量小于传统电磁式振动传感器（g级）一个数量级。