刘 伟，吴远志，叶 拓，邓 彬，郑学军

(1.湖南工学院 汽车泵类零部件设计制造技术国家地方联合工程实验室，湖南 衡阳 421002；2.湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

1 前 言

近年来，随着微机电系统(MEMS)工艺和传感器技术的发展，压电薄膜材料在MEMS中的应用潜力也越来越大。氧化锌(ZnO)薄膜作为一种新型Ⅱ～Ⅳ族直接宽带隙半导体材料，其直接能隙约为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV，具备优异的光学、电学和压电特性，广泛应用于压力传感、能量收集和纳米发电等领域[1-2]。ZnO薄膜的压电性能直接决定着器件的设计和使用性能，对其在MEMS中的应用有着十分重要的影响[3]。因此，准确表征ZnO薄膜的压电系数具有重要意义。Carlotti等[3]采用声波法确定了ZnO薄膜的压电系数，Christman等[4]运用原子力显微镜表征了ZnO薄膜的压电系数，但这些方法都没有考虑基底材料对ZnO薄膜的影响。

纳米压痕仪具有较高的空间、加载力分辨率，常用于测试压电薄膜材料的力电耦合性能。Dao等[6]把ZnO薄膜简化为各向同性材料，采用纳米压痕法测试了ZnO薄膜的杨氏模量。Wang等[7]在考虑基底效应的情况下，结合纳米压痕和有限元法确定了ZnO薄膜各方向上的弹性常数。Song等[8]在考虑基底效应的情况下，采用类似的方法确定了PZT薄膜的压电系数。基于以上研究基础，可采用类似的方法确定ZnO薄膜的压电系数。

本研究以沉积在硅基底上的ZnO薄膜为研究对象，结合有限元法和纳米压痕法确定了ZnO薄膜的压电系数。正向分析，用ABAQUS软件的压电模块模拟了纳米压痕实验，分别确定了薄膜压电系数与最大加载力、加载曲线指数之间的无量纲方程。……