본 연구에서는 Si MEMS 공정에 적합한 900℃ 이하 저온공정을 적용할 수 있고 두께 조절이 용이하며(두께 : 10～100) 우수한 압전특성을 갖는 PZT 후막 공정을 도출하고자 하였다. 또한 제조된 PZT 후막의 응용성 및 MEMS 공정과의 정합성을 평가하기 위하여 압전구동형 멤브레인(membrane) 소자, ...
본 연구에서는 Si MEMS 공정에 적합한 900℃ 이하 저온공정을 적용할 수 있고 두께 조절이 용이하며(두께 : 10～100) 우수한 압전특성을 갖는 PZT 후막 공정을 도출하고자 하였다. 또한 제조된 PZT 후막의 응용성 및 MEMS 공정과의 정합성을 평가하기 위하여 압전구동형 멤브레인(membrane) 소자, 캔틸레버(cantilever) 소자 및 확산형(diffuser) 마이크로펌프(micro-pump)를 제작하고 그 특성을 평가하여 PZT 후막 공정의 MEMS 정합성을 제시하고자 하였다. 스크린 인쇄법에 의한 후막제조연구는 PZT계를 적용하여 10～50 두께의 후막을 제조하였으며, 또한 통상의 스크린 인쇄법과 더불어 PZT sol solution을 PZT후막에 함침 처리하는 공정을 적용하였다. 제조된 PZT계 재료는 순수 PZT [Pb1+x(Zr0.52Ti0.48)O3], PMW+PZT [Pb(Mg,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3], PCW+PZT [Pb(Cd,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3] 이었다. 새로이 시도한 PZT sol을 PZT후막에 함침 처리하는 공정을 적용한 결과, 저온공정에 의해 기판과 PZT 후막과의 반응을 최소화 할 수 있었으며, 비교적 높은 소결밀도를 얻음으로서 궁극적으로 PZT 후막의 전기적인 특성을 개선할 수 있었다. 그 결과 850℃ 이하의 저온 소성온도에서 Si wafer 상에 PZT 후막을 제조할 수 있었으며, 제조된 PZT 후막은 자발분극(Pr) 값이 15～25 μCcm2 정도이며, 유효 압전상수 d33 값은 120 ～ 250 pCN 으로서 PZT bulk에 비해 낮은 값을 나타내지만 기존의 발표된 PZT 후막보다 우수한 특성을 얻을 수 있었다. 이러한 후막 제조 공정을 적용하여 PZT 후막 액추에이터(actuator)로서 작용하는 MEMS 소자를 제조하여 구동 특성을 평가한 결과, 그 응용에 충분한 압전 특성을 나타내고 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 Si MEMS 공정에 적합한 900℃ 이하 저온공정을 적용할 수 있고 두께 조절이 용이하며(두께 : 10～100) 우수한 압전특성을 갖는 PZT 후막 공정을 도출하고자 하였다. 또한 제조된 PZT 후막의 응용성 및 MEMS 공정과의 정합성을 평가하기 위하여 압전구동형 멤브레인(membrane) 소자, 캔틸레버(cantilever) 소자 및 확산형(diffuser) 마이크로펌프(micro-pump)를 제작하고 그 특성을 평가하여 PZT 후막 공정의 MEMS 정합성을 제시하고자 하였다. 스크린 인쇄법에 의한 후막제조연구는 PZT계를 적용하여 10～50 두께의 후막을 제조하였으며, 또한 통상의 스크린 인쇄법과 더불어 PZT sol solution을 PZT후막에 함침 처리하는 공정을 적용하였다. 제조된 PZT계 재료는 순수 PZT [Pb1+x(Zr0.52Ti0.48)O3], PMW+PZT [Pb(Mg,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3], PCW+PZT [Pb(Cd,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3] 이었다. 새로이 시도한 PZT sol을 PZT후막에 함침 처리하는 공정을 적용한 결과, 저온공정에 의해 기판과 PZT 후막과의 반응을 최소화 할 수 있었으며, 비교적 높은 소결밀도를 얻음으로서 궁극적으로 PZT 후막의 전기적인 특성을 개선할 수 있었다. 그 결과 850℃ 이하의 저온 소성온도에서 Si wafer 상에 PZT 후막을 제조할 수 있었으며, 제조된 PZT 후막은 자발분극(Pr) 값이 15～25 μCcm2 정도이며, 유효 압전상수 d33 값은 120 ～ 250 pCN 으로서 PZT bulk에 비해 낮은 값을 나타내지만 기존의 발표된 PZT 후막보다 우수한 특성을 얻을 수 있었다. 이러한 후막 제조 공정을 적용하여 PZT 후막 액추에이터(actuator)로서 작용하는 MEMS 소자를 제조하여 구동 특성을 평가한 결과, 그 응용에 충분한 압전 특성을 나타내고 있음을 확인하였다.
Many microactuator devices based on the piezoelectric principles require thick films in the range of 10 to 100 to achieve a larger force and strain change. For this kind of application of the piezoelectric thick films, a candidate process is the screen printing method. Screen printing technology has...
Many microactuator devices based on the piezoelectric principles require thick films in the range of 10 to 100 to achieve a larger force and strain change. For this kind of application of the piezoelectric thick films, a candidate process is the screen printing method. Screen printing technology has an advantage in being able to fabricate a device or a device array without a photo-lithography process. There are, however, several problems in fabricating screen-printed PZT thick films on Si-base substrate. Main problem is a poor densification even after high temperature heat treatment. The other problem is the reaction between the PZT thick film and the Si substrate at high temperature. To preventing these phenomena, the densification of a thick film must be carried out at low sintering temperature. The technology to produce a high-quality (especially high-density) piezoelectric thick film at relatively low temperature is important for fabricating useful piezoelectric actuators.The aim of this study is to provide an suitable low temperature process (firing below 900℃) of PZT thick film preparation with high-quality piezoelectric property on Si-base substrate for MEMS application. Moreover, this paper is to examine the fabrication of Si MEMS devices such as membrane device, cantilever device and diffuser type micropump, and to suggest thereby the practical suitability of these PZT thick film techniques for Si MEMS application.Novel processing and fabrication techniques have been investigated for PZT thick films (10 ～ 50 thickness) on Si substrate; hybrid method of screen printing and PZT sol-gel application(infiltration). PZT thick films of various kinds were prepared such as PZT [Pb1+x(Zr0.52Ti0.48)O3], PMW+PZT [Pb(Mg,W)O3- Pb(Zr,Ti)O3] and PCW+PZT [Pb(Cd,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3]. PZT sol-gel applying and PCW or PMW addition have shown distinct advantages over the conventional screen printing; low sintering temperature below 850℃ and dense micro-structure of thick films with high quality. For the PZT thick films processed by the novel processing routes developed in this work, the remanent polarization (Pr) was about 15-25 μCcm2, and the piezoelectric coefficient (d33) was 120-250 pCN. Considering other studies of PZT thick films on silicone using screen printing method, the results of this study shows one of the methods to improve the screen printed thick films quality and a good solution for the PZT thick film on Si-wafer process.By applying these PZT thick film techniques, Si MEMS devices with PZT thick film actuator were prepared successfully. From the above, it is apparent that PZT thick film process of this study provides a suitable techniques for Si MEMS application.
Many microactuator devices based on the piezoelectric principles require thick films in the range of 10 to 100 to achieve a larger force and strain change. For this kind of application of the piezoelectric thick films, a candidate process is the screen printing method. Screen printing technology has an advantage in being able to fabricate a device or a device array without a photo-lithography process. There are, however, several problems in fabricating screen-printed PZT thick films on Si-base substrate. Main problem is a poor densification even after high temperature heat treatment. The other problem is the reaction between the PZT thick film and the Si substrate at high temperature. To preventing these phenomena, the densification of a thick film must be carried out at low sintering temperature. The technology to produce a high-quality (especially high-density) piezoelectric thick film at relatively low temperature is important for fabricating useful piezoelectric actuators.The aim of this study is to provide an suitable low temperature process (firing below 900℃) of PZT thick film preparation with high-quality piezoelectric property on Si-base substrate for MEMS application. Moreover, this paper is to examine the fabrication of Si MEMS devices such as membrane device, cantilever device and diffuser type micropump, and to suggest thereby the practical suitability of these PZT thick film techniques for Si MEMS application.Novel processing and fabrication techniques have been investigated for PZT thick films (10 ～ 50 thickness) on Si substrate; hybrid method of screen printing and PZT sol-gel application(infiltration). PZT thick films of various kinds were prepared such as PZT [Pb1+x(Zr0.52Ti0.48)O3], PMW+PZT [Pb(Mg,W)O3- Pb(Zr,Ti)O3] and PCW+PZT [Pb(Cd,W)O3-Pb(Zr,Ti)O3]. PZT sol-gel applying and PCW or PMW addition have shown distinct advantages over the conventional screen printing; low sintering temperature below 850℃ and dense micro-structure of thick films with high quality. For the PZT thick films processed by the novel processing routes developed in this work, the remanent polarization (Pr) was about 15-25 μCcm2, and the piezoelectric coefficient (d33) was 120-250 pCN. Considering other studies of PZT thick films on silicone using screen printing method, the results of this study shows one of the methods to improve the screen printed thick films quality and a good solution for the PZT thick film on Si-wafer process.By applying these PZT thick film techniques, Si MEMS devices with PZT thick film actuator were prepared successfully. From the above, it is apparent that PZT thick film process of this study provides a suitable techniques for Si MEMS application.
주제어
#PZT thick film MEMS piezoelectric low temperature sintering screen printing 후막 압전 저온소성 스크린 인쇄
학위논문 정보
저자
김용범
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
세라믹공학과
지도교수
김태송,최두진
발행연도
2005
총페이지
xi, 185p.
키워드
PZT thick film MEMS piezoelectric low temperature sintering screen printing 후막 압전 저온소성 스크린 인쇄
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