專利名稱：一種mems的微型壓電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及能在微型芯片上實(shí)現(xiàn)大的垂直位移驅(qū)動(dòng)的一種MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子、機(jī)械等系統(tǒng)向著小型化、微型化方向發(fā)展，芯片的高密度、多功能、智能化集成成為人們研究的重要方向。近十幾年來(lái)，以大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)獨(dú)有的特殊工藝為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)械結(jié)構(gòu)、微型執(zhí)行器、微電子器件和電路系的多功能集成，形成所謂的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MicroElectroMachanical System，簡(jiǎn)稱MEMS)，或微系統(tǒng)(Microsystem)。這種微系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步使以先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝為基礎(chǔ)的集成電路制造技術(shù)發(fā)展成為在微芯片上制造復(fù)雜電子機(jī)械系統(tǒng)，形成片上系統(tǒng)集成(SOC)。以微型化、集成化，智能化、信息化、先進(jìn)制造為特點(diǎn)的MEMS技術(shù)從設(shè)計(jì)到制造，不僅以微電了技術(shù)為基礎(chǔ)，而且涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等多技術(shù)學(xué)科，可以說(shuō)是一門多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)?；贛EMS技術(shù)的微型傳感器、微型執(zhí)行器、微光學(xué)系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、微生物芯片、微流體器件、立體集成電路等復(fù)雜的微系統(tǒng)，已有相當(dāng)多的應(yīng)用于工業(yè)、軍事、生物、醫(yī)學(xué)等行業(yè)。
目前，靜電、電磁、熱、壓電、形狀記憶合金等物理原理被廣應(yīng)用于MEMS執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器。靜電式和壓電式微執(zhí)行器具有精度高、不發(fā)熱、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)人們多年的不懈努力和廣泛研究，靜電微執(zhí)行器已成為MEMS驅(qū)動(dòng)的重要部件，同時(shí)，其它微執(zhí)行機(jī)制的應(yīng)用也獲得深入的研究。但是，利用這些原理的已有的微執(zhí)行結(jié)構(gòu)一般具有較大驅(qū)動(dòng)器尺寸、占用較多的芯片面積，而在襯底上實(shí)現(xiàn)的垂直驅(qū)動(dòng)位移卻有限，制作工藝復(fù)雜，可靠性不高，功耗大，壽命短。在已受到廣泛研究的MEMS壓電薄膜驅(qū)動(dòng)方式中，大多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于壓電薄膜的伸長(zhǎng)量有限，因此懸臂梁結(jié)構(gòu)上的最大偏轉(zhuǎn)位移非常有限，同時(shí)，被驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)垂直位移時(shí)也伴隨著橫向偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)。這種特點(diǎn)限制了壓電驅(qū)動(dòng)方式在MEMS領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，造成目前采用壓電薄膜驅(qū)動(dòng)的成熟MEMS商品化器件極少出現(xiàn)。這種懸臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)大的垂直位移，要求增加梁的長(zhǎng)度和增大驅(qū)動(dòng)電壓，這樣就一方面增加了由重力引起的懸臂梁靜態(tài)偏轉(zhuǎn)量，致使未加電壓時(shí)，懸臂即有較大偏轉(zhuǎn)位移，嚴(yán)重限制它的應(yīng)用范圍。另一方面，這種長(zhǎng)的直懸臂梁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械抗振強(qiáng)度顯著降低，工作中容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，且極易受沖擊折斷。另外，這種長(zhǎng)的單直懸臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)增加了懸臂本身的慣性影響，使驅(qū)動(dòng)器的工作頻率很低，不適應(yīng)許多工作頻率較高的應(yīng)用場(chǎng)合。另外，為獲得大的位移量，高的驅(qū)動(dòng)電壓極易造成壓電薄膜擊穿，對(duì)壓電薄膜的質(zhì)量提出較高的要求，增加了壓電薄膜淀積的工藝難度。高的驅(qū)動(dòng)電壓同時(shí)給壓電薄膜帶來(lái)許多附加效應(yīng)，并增加了相應(yīng)電子電路的復(fù)雜性。在制造方面，長(zhǎng)的易振懸臂顯著增加制造的復(fù)雜性、降低微機(jī)械加工的成品率。過(guò)長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度，也使其很難適應(yīng)在一些微結(jié)構(gòu)器件或器件陣列中的應(yīng)用。這些都嚴(yán)重限制了懸臂梁壓電驅(qū)動(dòng)器在微電子機(jī)械器件和系統(tǒng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于在懸浮彈性梁1的兩端或中間經(jīng)短橫梁1連接，相對(duì)于對(duì)稱軸X形成對(duì)稱并列級(jí)聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動(dòng)器兩外側(cè)的懸梁中部通過(guò)襯底連接短橫梁4與襯底相連形成固定端；在每個(gè)懸梁上，以長(zhǎng)度方向的中心垂直平分線Y為對(duì)稱軸，對(duì)稱地分段沉積壓多層膜復(fù)合壓電單元2，每段多層膜復(fù)合壓電單元2與下面的懸浮彈性梁1形成利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元；每條懸浮彈性梁1上的多層膜復(fù)合壓電單元2以對(duì)稱軸Y對(duì)稱分布，并且每一側(cè)的多層膜復(fù)合壓電單元2可為2、4、6或8個(gè)，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，在對(duì)稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁1上以對(duì)稱方式施加電壓，在對(duì)稱軸X每一側(cè)，每個(gè)懸浮彈性梁1與同一側(cè)鄰近懸浮彈性梁1相同位置的多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對(duì)稱軸Y每一側(cè)的每一個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極層與其同一側(cè)鄰近多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時(shí)，在對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元上、下電極施加相同極性的電壓。
所述多層膜復(fù)合壓電單元是在彈性薄膜梁1上，從下至上有緩沖層5、互相不連接的下薄膜電極層6、具有一定形狀的多層膜復(fù)合壓電單元2的壓電層7及上薄膜電極層8復(fù)合疊加而成，還可以在上電極薄膜層表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)層9，上電極引線10、下電極引線11分別和上薄膜電極層8、下薄膜電極層6連接。
所述并列級(jí)聯(lián)的懸梁的數(shù)目可以為等于或大于3的整數(shù)。
所述壓電層7可為PZT、PLZT、ZnO、AlN、PVDF中的一種壓電材料或由一種以上的壓電材料復(fù)合成多層壓電薄膜、或壓電薄膜與預(yù)先淀積的壓電種子層的復(fù)合膜。
所述懸浮彈性梁1可為單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅中一種或一種以上彈性材料的復(fù)合層膜。
所述對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元2可以連接起來(lái)，形成一個(gè)大多層膜復(fù)合壓電單元。
本實(shí)用新型的有益效果是采用一種多級(jí)遞進(jìn)級(jí)聯(lián)的懸浮驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大的垂直位移。有效的縮短了驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度，使其在一些應(yīng)用中可大幅度節(jié)省器件面積；降低了驅(qū)動(dòng)電壓；提高了驅(qū)動(dòng)器的工作頻率，具有很好的器件驅(qū)動(dòng)性能。同時(shí)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很高的器件可靠性，工藝簡(jiǎn)單，易加工，有較高的制造成品率，適合批量生產(chǎn)。


圖1為懸浮彈性梁及其上的多層膜復(fù)合壓電單元示意圖。
圖2為由四個(gè)懸浮彈性驅(qū)動(dòng)梁構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為由三個(gè)懸浮彈性驅(qū)動(dòng)梁構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為多層膜復(fù)合壓電單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供一種MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器。在懸浮彈性梁1的兩端或中間經(jīng)短橫梁3連接，相對(duì)于對(duì)稱軸X形成對(duì)稱并列級(jí)聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)，并列級(jí)聯(lián)的懸梁的數(shù)目可以為等于或大于3的整數(shù)。對(duì)稱軸X兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動(dòng)器兩外側(cè)的懸梁中部通過(guò)襯底連接短橫梁4與襯底相連形成固定端；在每個(gè)懸梁上，以長(zhǎng)度方向的中心垂直平分線Y為對(duì)稱軸，對(duì)稱地分段沉積壓多層膜復(fù)合壓電單元2，每段多層膜復(fù)合壓電單元2與下面的懸浮彈性梁1形成利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元；每條懸浮彈性梁1上的多層膜復(fù)合壓電單元2以對(duì)稱軸Y對(duì)稱分布，并且每一側(cè)的多層膜復(fù)合壓電單元2可為2、4、6或8個(gè)，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，在對(duì)稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁1上以對(duì)稱方式施加電壓，在對(duì)稱軸X每一側(cè)，每個(gè)懸浮彈性梁1與同一側(cè)鄰近懸浮彈性梁1相同位置的多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對(duì)稱軸Y每一側(cè)的每一個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極層與其同一側(cè)鄰近多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時(shí)，在對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元上、下電極施加相同極性的電壓(如圖1、圖2所示)。
上述壓電層7可為PZT、PLZT、ZnO、AlN、PVDF中的一種壓電材料或由一種以上的壓電材料復(fù)合成多層壓電薄膜、或壓電薄膜與預(yù)先淀積的壓電種子層的復(fù)合膜。
上述懸浮彈性梁1可為單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅中一種或一種以上彈性材料的復(fù)合層膜。
所述對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元2可以連接起來(lái)，形成一個(gè)大多層膜復(fù)合壓電單元(如圖3、圖5所示)。
圖7所示為多層膜復(fù)合壓電單元是在彈性薄膜梁1上，從下至上有緩沖層5、互相不連接的下薄膜電極層6、具有一定形狀的多層膜復(fù)合壓電單元2的壓電層7及上薄膜電極層8復(fù)合疊加而成，還可以在上電極薄膜層表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)層9，上電極引線10、下電極引線11分別和上薄膜電極層8、下薄膜電極層6連接。
圖1所示為一個(gè)彈性懸梁的情況。
彈性懸梁上形成四個(gè)壓電多層膜單元A、B、C、D。其中，A、B和C、D相對(duì)于中心對(duì)稱軸Y對(duì)稱。若在壓電多層膜單元A、C的上下電極間施加相同電壓，而在B、D上下電極間施加大小相同，極性相反電壓。則整個(gè)懸梁會(huì)產(chǎn)生彎曲。
若將圖1所示的彈性懸梁?jiǎn)卧?jīng)短橫梁3連接成三梁(如圖3所示)、四梁驅(qū)動(dòng)器(如圖2所示)，則整個(gè)驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于對(duì)稱軸X對(duì)稱。驅(qū)動(dòng)器通過(guò)襯底連接短橫梁4與襯底相連。因驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于X軸對(duì)稱，所以若X軸兩側(cè)的懸梁上對(duì)應(yīng)的壓電多層膜上、下電極施加對(duì)稱的電壓和載荷，則對(duì)稱軸X兩側(cè)的結(jié)構(gòu)變形和位移完全相同。
權(quán)利要求1.一種MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于在懸浮彈性梁(1)的兩端或中間經(jīng)短橫梁(3)連接，相對(duì)于對(duì)稱軸X形成對(duì)稱并列級(jí)聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器；對(duì)稱軸X兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動(dòng)器兩外側(cè)的懸梁中部通過(guò)襯底連接短橫梁(4)與襯底相連形成固定端；在每個(gè)懸梁上，以長(zhǎng)度方向的中心垂直平分線Y為對(duì)稱軸，對(duì)稱地分段沉積壓多層膜復(fù)合壓電單元(2)，每段多層膜復(fù)合壓電單元(2)與下面的懸浮彈性梁(1)形成利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元；每條懸浮彈性梁(1)上的多層膜復(fù)合壓電單元(2)以對(duì)稱軸Y對(duì)稱分布，并且每一側(cè)的多層膜復(fù)合壓電單元(2)可為2、4、6或8個(gè)，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，在對(duì)稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁(1)上以對(duì)稱方式施加電壓，在對(duì)稱軸X每一側(cè)，每個(gè)懸浮彈性梁(1)與同一側(cè)鄰近懸浮彈性梁(1)相同位置的多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對(duì)稱軸Y每一側(cè)的每一個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極層與其同一側(cè)鄰近多層膜復(fù)合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時(shí)，在對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元上、下電極施加相同極性的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述壓電多層薄膜，每段壓電復(fù)合多層薄膜單元在彈性薄膜梁上，從下至上有緩沖層(5)、互相不連接的下薄膜電極層(6)、具有一定形狀的多層膜復(fù)合壓電單元(2)的壓電層(7)及上薄膜電極層(8)復(fù)合疊加而成，還可以在上電極薄膜層表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)層(9)，上電極引線(10)、下電極引線(11)分別和上薄膜電極層(8)、下薄膜電極層(6)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述并列級(jí)聯(lián)的懸梁的數(shù)目可以為等于或大于3的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述對(duì)稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個(gè)多層膜復(fù)合壓電單元(2)可以連接起來(lái)，形成一個(gè)大多層膜復(fù)合壓電單元。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了屬于微電子機(jī)械領(lǐng)域的能產(chǎn)生大垂直位移的一種MEMS的微型壓電驅(qū)動(dòng)器。在懸浮彈性梁的兩端或中間經(jīng)短橫梁連接，相對(duì)于對(duì)稱軸X形成對(duì)稱并列級(jí)聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器兩外側(cè)的懸梁中部通過(guò)連接襯底的短橫梁與襯底相連形成固定端，并列級(jí)聯(lián)的懸梁的數(shù)目可以為等于或大于3的整數(shù)。每條懸浮彈性梁上的多層膜復(fù)合壓電單元以對(duì)稱軸Y對(duì)稱分布，形成多級(jí)遞進(jìn)、增加壓電驅(qū)動(dòng)位移的大垂直位移壓電驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)用新型可減少微電機(jī)械系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，降低驅(qū)動(dòng)電壓，具有較大的驅(qū)動(dòng)力。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件可靠性高，工藝簡(jiǎn)單，易加工，較高的制造成品率，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/02GK2689586SQ20042000714
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者方華軍, 劉理天, 任天令 申請(qǐng)人:清華大學(xué)