本文關鍵詞：基于壓電微驅(qū)動器的微光掃描器件的關鍵技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微顯示技術較之傳統(tǒng)顯示技術(CRT顯示技術、平板顯示技術、投影顯示技術等)具有小芯片實現(xiàn)大圖像、驅(qū)動電路與顯示芯片集成等特點,因此具有小體積便攜、低成本、低功耗的優(yōu)勢。微顯示技術的典型應用包括便攜式微型投影系統(tǒng)、近眼顯示系統(tǒng)、汽車前景顯示系統(tǒng)等。目前基于MOEMS器件的微顯示技術具有很大的發(fā)展?jié)摿�。其�?采用壓電材料的MOEMS器件具有響應速度快、功耗低等顯著優(yōu)勢。本論文針對如何實現(xiàn)滿足微顯示成像應用的壓電微掃描鏡器件開展相關研究。一,從理論上對壓電晶片驅(qū)動器的工作原理及基本模型進行了分析,優(yōu)選了單層壓電晶片驅(qū)動器結構。對于單層壓電晶片驅(qū)動器,通過優(yōu)化比較后確定壓電材料采用鋯鈦酸鉛材料,并需要形成鈣鈦礦結構；彈性層材料推薦采用二氧化硅：在單位電壓下偏轉(zhuǎn)角最大和能量轉(zhuǎn)換效率最高時,對應的材料厚度比為0.94：驅(qū)動電壓電場與壓電材料極化方向平行時驅(qū)動效率最高。二,根據(jù)理論分析,優(yōu)化了硅基壓電薄膜的制備和成型工藝流程。對于制備工藝,重點改進了制備高品質(zhì)硅基鐵電薄膜工藝過程中組分控制、鈣鈦礦結構形成、層應力控制等技術。通過工藝摸索實現(xiàn)了高溫下較厚壓電薄膜的制備,滿足理想器件的設計要求,成功制備了0.8μm厚的壓電薄膜。利用快速升溫跳過雜相生成的溫度,顯著提高鈣鈦礦結構的比例。對于成型工藝,解決了濕法刻蝕中的鉆刻問題,將之與干法刻蝕相結合來刻蝕PZT薄膜,提高了刻蝕效率,節(jié)約了成本,并且降低了單純采用干法刻蝕對薄膜鐵電性的損傷。測試表明,利用這種改進過的Sol-Gel方法制備的PZT鐵電薄膜,滿足單層壓電晶片驅(qū)動器在鋯鈦比、鈣鈦礦結構形成、極化方向、成膜基底的相關要求,并具備優(yōu)良的鐵電、介電品質(zhì)。三,設計和制備了一種新型雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器的微掃描鏡,可應用于內(nèi)窺鏡微成像顯示,以及其它分辨率要求較低的顯示系統(tǒng)中。這種設計的優(yōu)點在于將以往設計的電熱驅(qū)動方式改進為壓電驅(qū)動方式,將電流型器件改變?yōu)殡妷盒推骷?顯著降低了功耗,同時提高了響應速度�；钊托D(zhuǎn)模式的諧振頻率分別為2.45KHz和3.5KHz。鏡面面積1.1mm×1.1mm,正弦波在2V驅(qū)動一對驅(qū)動器時,產(chǎn)生的諧振掃描角度可以達到9.65度。系統(tǒng)有功功率值約為74.31pW。四,為了滿足高刷新率、高分辨率激光投影微顯示應用的行掃頻率要求,設計和制備了一個新的單層壓電晶片驅(qū)動器陣列的微掃描鏡。該結構利用耦合原理來克服壓電驅(qū)動臂楊氏模量不夠高的缺點,以獲得更高的工作頻率。為了在相同驅(qū)動電壓條件下獲得更大的位移,同時獲得更大的自由度,本設計將三段PZT單層壓電晶片和三段硅基剛性梁結合在一起,形成一個折疊式PZT單層壓電晶片驅(qū)動器,這種結構利用角放大機制產(chǎn)生較大的垂直位移。將兩組驅(qū)動器對稱排列,實現(xiàn)對稱的應力卷曲,可以抵消鏡板因為單個驅(qū)動器陣列卷曲而引起的橫向位移。壓電層厚度為0.8μmPZT薄膜,彈性層為0.85μm二氧化硅薄膜。微鏡可以進行面內(nèi)兩維掃描以及面外活塞運動。微鏡的諧振掃描頻率是362Hz(活塞),685Hz(X軸掃描),1250Hz(Y軸掃描)和21.2KHz(快速掃描),諧振掃描角達到9.8度,進行了光柵圖測試驗證,達到SVGA高清顯示系統(tǒng)應用要求。系統(tǒng)有功功率值約為584.8μW。
【關鍵詞】：微顯示 微掃描鏡 內(nèi)窺鏡 激光掃描顯示 雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器 折疊式PZT單層壓電晶片驅(qū)動器
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN873
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 微顯示技術10-18
• 1.2.1 CRT微顯示器10-11
• 1.2.2 LCD微顯示11-13
• 1.2.3 有機電致發(fā)光微顯示13-15
• 1.2.4 光微機械微顯示15-18
• 1.3 微機電系統(tǒng)技術18-20
• 1.3.1 MEMS技術的產(chǎn)生和發(fā)展18
• 1.3.2 MEMS制造技術18-20
• 1.4 基于MEMS技術的微掃描鏡研究20-22
• 1.4.1 靜電式微掃描鏡21
• 1.4.2 電熱式微掃描鏡21
• 1.4.3 電磁式微掃描鏡21
• 1.4.4 壓電式微掃描鏡21-22
• 1.5 集成鐵電學22-23
• 1.6 本論文研究的出發(fā)點、目標和內(nèi)容安排23-24
• 第二章 壓電微驅(qū)動器的理論分析24-44
• 2.1 壓電材料簡介24
• 2.2 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷24-27
• 2.2.1 鈣鈦礦結構24-26
• 2.2.2 鋯鈦酸鉛固溶體與晶相界26-27
• 2.3 鋯鈦酸鉛陶瓷的自發(fā)極化與電極化27-30
• 2.3.1 自發(fā)極化27-28
• 2.3.2 電疇28-29
• 2.3.3 電極化工序29-30
• 2.4 鋯鈦酸鉛陶瓷的鐵電性和壓電性30-31
• 2.4.1 鋯鈦酸鉛陶瓷的鐵電性30
• 2.4.2 鋯鈦酸鉛陶瓷的壓電性30-31
• 2.5 壓電微驅(qū)動器理論模型31-41
• 2.5.1 壓電效應的理論模型31-34
• 2.5.2 壓電薄膜驅(qū)動器34
• 2.5.3 單層壓電晶片驅(qū)動器的頂端彎曲位移34-37
• 2.5.4 單層壓電晶片驅(qū)動器的最大作用力輸出37-39
• 2.5.5 單層壓電晶片驅(qū)動器的最大動能輸出39-41
• 2.6 本章小結41-44
• 第三章 硅基壓電薄膜制造技術44-60
• 3.1 硅基鐵電薄膜制備技術的研究進展44-46
• 3.1.1 濺射法制備鐵電薄膜44
• 3.1.2 脈沖激光沉積法44-45
• 3.1.3 金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)法45
• 3.1.4 溶膠凝膠法45-46
• 3.2 溶膠凝膠法制備PZT薄膜46-51
• 3.2.1 PZT溶膠的配置方法46-47
• 3.2.2 襯底電極的選擇47-48
• 3.2.3 溶膠凝膠的旋涂過程48
• 3.2.4 薄膜的熱處理48-51
• 3.3 PZT鐵電薄膜的濕-干刻蝕51-53
• 3.3.1 干法刻蝕51-52
• 3.3.2 濕法刻蝕52-53
• 3.3.3 濕-干結合法53
• 3.4 PZT鐵電薄膜的性能表征53-57
• 3.4.1 形貌分析54
• 3.4.2 XRD晶向分析54-55
• 3.4.3 鐵電性能測試55-57
• 3.4.4 壓電特性測試57
• 3.5 本章小結57-60
• 第四章 雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器的傾斜活塞微鏡60-74
• 4.1 S形單層壓電晶片驅(qū)動器的概念及拓撲結構60-61
• 4.1.1 S形單層壓電晶片驅(qū)動器60
• 4.1.2 雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器60-61
• 4.2 雙S形單層晶片壓電驅(qū)動器微鏡61-63
• 4.3 雙S形單層壓電晶片驅(qū)動器工藝制作63-68
• 4.3.1 工藝制作流程63-67
• 4.3.2 版圖拼接67-68
• 4.4 工藝制作結果68-69
• 4.5 器件特性69-73
• 4.5.1 鏡面靜態(tài)活塞運動70
• 4.5.2 鏡面靜態(tài)掃描角70-71
• 4.5.3 器件模態(tài)分析71
• 4.5.4 器件頻率響應特性71-72
• 4.5.5 掃描光柵72-73
• 4.5.6 功耗測試73
• 4.6 本章小結73-74
• 第五章 陣列式單層壓電晶片折疊驅(qū)動器的諧振式掃描鏡74-88
• 5.1 單層壓電晶片折疊驅(qū)動器74-75
• 5.2 基于陣列式單層壓電晶片折疊驅(qū)動器的諧振式掃描鏡75-76
• 5.2.1 高速諧振掃描模態(tài)75-76
• 5.2.2 低頻傾斜掃描方式76
• 5.3 工藝制作76-83
• 5.3.1 雙面熱氧化77-78
• 5.3.2 底電極濺射78
• 5.3.3 制備PZT薄膜78
• 5.3.4 頂電極剝離工藝78-79
• 5.3.5 PZT薄膜的刻蝕79
• 5.3.6 鋁電極的制作79-80
• 5.3.7 底電極的刻蝕80-81
• 5.3.8 背面深刻蝕81-83
• 5.4 器件特性83-87
• 5.4.1 低頻軸靜態(tài)掃描角83-84
• 5.4.2 諧振掃描角84-85
• 5.4.3 器件頻率響應特性85-86
• 5.4.4 掃描光柵圖86
• 5.4.5 功耗測定86-87
• 5.5 本章小結87-88
• 第六章 結論88-92
• 6.1 論文工作總結88-89
• 6.2 本論文的創(chuàng)新成果89-90
• 6.3 對進一步研究工作的展望90-92
• 參考文獻92-100
• 致謝100-102
• 論文清單102-103

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