PZT納米梁的制造和壓電信號測試

張二帥，王大志，徐鵬飛，李經國，李沛然

（大連理工大學遼寧省微納米技術與系統重點實驗室，遼寧大連116024）

0 引言

微機電系統（Microelectromechanical systems,MEMS）起源于20世紀50年代，采用成熟的MEMS加工技術制作的微納器件在航空航天、環境衛生、能源動力、生物醫學等領域發揮著越來越重要的作用[1]。然而，隨著科學技術的飛速發展，MEMS器件因其特征尺寸在微米級制約了靈敏度等眾多性能，已經不能滿足某些極微弱信號的測試要求。因此，特征尺寸在納米級的NEMS器件開始成為國際科研機構的研究熱點。

納米梁是NEMS器件的典型結構，針對不同材料，形成了不同的制備方法。針對第一代半導體硅，大部分采用光刻、刻蝕、濺射等MEMS加工工藝在SOI基片上，依靠中間的氧化層作為犧牲層做出厚度小于100 nm的兩端固支梁或懸臂梁，但是梁的寬度絕大部分在微米級[2-6]。對于碳納米管和第三代半導體，如ZnO、SiC和GaN等，先通過CVD或MOCVD的方法生長出微納米纖維，然后采用電泳、原位操作臺、探針臺或原子力顯微鏡等方法或設備將纖維轉移到襯底上，再用FIB或EBID在纖維兩端沉積金屬形成器件[7-13]。采用MEMS工藝制作的微納米梁，工藝復雜、周期長、成本高，而且難以將寬度降低到納米級。采用先生長后轉移的方法制作的納米梁，制作周期長、效率低、尺寸一致性差，而且操作難度大。

本文提出了同軸聚焦電流體噴射打印納米梁的方法，研究了電壓、內液流量、噴針與襯底的距離等參數對打印線結構的尺寸與形狀的影響。根據實驗結果，設置電壓、內外液流量和噴針與襯底的距離等工藝參數，打印了直徑約80 nm，長度約70 μm的PZT納米壓電梁。最后，采用了探針臺、電荷放大器和數字萬用表搭建的檢測裝置，測試分析了單根PZT納米梁的壓電響應信號，結果表明同軸聚焦電流體噴射打印的PZT梁具有優良的壓電性。

1 同軸聚焦電流體噴射打印PZT納米梁

1.1 打印工藝

基于電流體動力效應，分析了同軸錐射流形成的物理機制，如圖1所示。向同軸噴頭注入兩種不同的液體，內層液體含有最終需要的功能材料，外層液體采用高黏度溶液。在金屬噴針和襯底之間加上高壓，在強電場的作用下，內外液體表面會產生極化電荷，極化電荷和自由電荷在電場力的作用下向下聚集，拉動內外液體向下流動。內外液互不相溶，高黏度外液緊緊包裹內液，對內液產生朝向中心的壓力，起到聚焦作用，使雙層射流的直徑降低，同時外液的高黏度有助于射流連續。當重力、表面張力、黏滯力、電場力、介電力和庫侖力達到平衡時，雙層射流在噴針出口處會形成一個穩定的泰勒錐[14]。

圖1 同軸錐射流受力Fig.1 Force diagram of coaxial cone jet

同軸聚焦電流體噴射打印設備如圖2所示，主要由同軸噴頭、精密注射器、高壓電源、運動模塊等組成。同軸噴頭包含內噴針和外噴針，內針內徑為130 μm，外針內徑為1 mm，分別通入不同的液體；高壓電源的正極與金屬噴頭連接，在同軸噴頭和負極板之間形成電場；運動模塊帶動襯底沿橫向和縱向移動，實現雙層射流的打印。

圖2 同軸聚焦電流體噴射打印裝置Fig.2 Schematic diagram of coaxial focused electrohydrodynamic jet printing equipment

打印實驗的內液為溶膠-凝膠法制備的PZT溶膠，其制備過程為[15]：（1）將3.55 g異丙醇鈦（Titanium（IV）isopropoxide）和5.39 g正 丙 醇 鋯（Zirconium（IV）propoxide）在燒瓶中混合，用磁力攪拌器攪拌5 min；（2）保持攪拌速度不變，添加5 mL冰醋酸（Glacial ace?tic acid）、10 mL正丙醇（1-propanol），混合攪拌5 min；（3）加入9.95 g乙酸鉛三水合物（Lead acetate trihy?drate），加熱攪拌，使乙酸鉛三水合物溶解；（4）最后混合攪拌4 h，獲得PZT溶膠。

設置電壓為5.5 kV，外液流量為3 μL/min，內液流量為100 nL/min，在電場和流場的共同作用下，得到的穩定同軸錐射流如圖3（a）所示，在襯底上打印的過程如圖3（b）所示。

圖3 同軸聚焦電流體噴射打印Fig.3 Coaxial focused electrohydrodynamic jet printing

使用硅片作為襯底，分別改變電壓、內液流量和襯底與噴針的距離進行實驗，研究這些參數對打印的PZT線的尺寸與形狀的影響。

保持內液流量為100 nL/min，噴針與襯底的高度為15 mm，調節電壓，得到合適的打印電壓范圍為5～6 kV。在此范圍內，雙層射流的直徑會隨著電壓的增大而逐漸減小。當電壓較小時，電場力過小，射流直徑較大，而且不穩定，難以形成錐射流；當電壓較大時，電場力過大，射流會形成多股射流。

保持電壓為5.5 kV，噴針與襯底的高度為15 mm，設置內液流量分別為70 nL/min、100 nL/min、130 nL/min，得到打印的PZT線尺寸依次減小。此實驗結果表明在一定的流量范圍內，打印的PZT線直徑會隨著內液流量的增大而增大。保持電壓為5.5 kV，內液流量為100 nL/min，調節噴針與襯底的距離，最終得到合適的打印距離為13～20 mm。當噴針與襯底的距離大于20 mm時，錐射流會在小范圍內擺動，打印的PZT線難以控制，如圖4（a）所示。當噴針與襯底的距離為13~20 mm時，錐射流穩定，打印的PZT線均勻、一致性高，如圖4（b）所示。當噴針與襯底的距離小于13 mm時，錐射流的尺寸較大，襯底對射流的干擾作用較大，會導致斷流失穩，無法實現穩定打印。

圖4 同軸聚焦電流體噴射打印PZT線Fig.4 PZT wires of coaxial focused electrohydrodynamic jet printing

根據上述實驗的結果，通過調節電壓、內液流量和襯底與噴針的距離，可以實現PZT線的直徑從幾十納米到1 μm不同尺寸的打印。同軸聚焦電流體噴射打印工藝分辨率高、效率高、成本低，在功能材料的納米線狀結構的制造中擁有巨大優勢。

1.2 PZT納米梁的打印制造

根據前述實驗規律，設置外液流量為3 μL/min，內液流量為70 nL/min，電壓為5.7 kV，噴針與襯底的距離為17 mm。打印形成PZT梁結構后，在馬弗爐中進行650℃的高溫燒結，結晶形成標準的鈣鈦礦結構。最終得到的PZT梁直徑約80 nm，長度約70 μm，長徑比近1 000∶1，尺寸均勻，表面光滑，結構致密，如圖5所示。

圖5 PZT納米梁SEM圖Fig.5 SEM image of PZT nanobeam

與通過光刻、刻蝕等MEMS工藝制造微納米梁相比，同軸電流體噴射打印技術制造納米梁的分辨率高、成本低，且工藝流程簡單、易操作，同時此工藝也可以用于打印屬性合適的其他功能液體，是一種更有優勢和潛力的納米梁制造工藝。

2 PZT納米梁壓電性能測試

針對單根PZT納米梁壓電信號的測試，本實驗采用探針臺、電荷放大器、高精度數字萬用表搭建了測試裝置，其檢測原理如圖6（a）所示，檢測裝置實物如圖6（b）所示。在高精度探針座的末端安裝高硬度的鎢針，用于戳動PZT納米梁。PZT梁受到變形會產生電荷信號，這里使用高靈敏度的電荷放大器將PZT梁產生的電荷信號轉化為低阻抗的電壓信號，并放大輸出，最后用數字萬用表測試電壓信號。

圖6 單根PZT納米梁壓電信號測試裝置Fig.6 Piezoelectric signal testing device for single PZT nanobeam

選擇上述實驗中打印的直徑約80 nm，長度約70 μm的PZT梁制作樣件，調節探針座帶動鎢針戳動PZT兩端固支梁的中央，產生約3 μm的變形。多次戳動，得到規律性的壓電信號，如圖7所示。電荷放大器的靈敏度為0.6 V/pC，PZT納 米梁變形產生的電壓峰值約為0.25 mV，轉化為電荷約為4.17×10-4pC。實驗結果表明，同軸聚焦電流體噴射打印的單根PZT納米梁表現出明顯的壓電響應，顯示出其在測試微小變形或微弱力方面擁有巨大潛力。

圖7 單根PZT納米梁壓電響應結果Fig.7 Piezoelectric response of a single PZT nanobeam

3 結束語

本文針對目前納米梁制造的工藝復雜度、周期長等問題，提出了同軸聚焦電流體噴射打印制造PZT納米壓電梁的方法，研究關鍵參數對打印PZT線的尺寸與形狀的影響。實驗結果表明在增大電壓或者降低內液流量，可以有效降低打印的PZT線的尺寸；噴針與襯底的距離為13～20 mm內，PZT線結構均勻且一致性高。采用此工藝制備了直徑約80 nm，長度約70 μm的PZT納米梁，經過搭建的裝置測試分析，結果表明單根PZT納米梁具有明顯的壓電響應，表現出納米器件的潛力。與其他制備納米梁的工藝相比，此工藝具有分辨率高、成本低等優點，為NEMS器件的制造提供了可行工藝途徑。