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一种用于MEMS的微型压电驱动器

阅读：961发布：2021-02-26

IPRDB可以提供一种用于MEMS的微型压电驱动器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了属于微电子机械领域的一种能产生大垂直位移的用于MEMS的微型压电驱动器，采用多级递进方式，增加压电驱动位移。在悬浮弹性梁的两端或中间经短横梁连接，相对于第一对称轴X形成对称并列级联悬梁结构，驱动器两外侧的悬梁中部通过连接衬底的短横梁与衬底相连形成固定端，并列级联的悬梁的数目为等于或大于3的整数。每条悬浮弹性梁上的多层膜复合压电单元以第二对称轴Y对称分布，形成多级递进、增加压电驱动位移的大垂直位移压电驱动器。本发明可减少微电机械系统中驱动结构的长度，降低驱动电压，驱动力大。其结构简单，器件可靠性高，工艺简单，较高的制造成品率，适合批量生产。在各种微电子机械器件和系统中具有重要价值。，下面是一种用于MEMS的微型压电驱动器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于MEMS的微型压电驱动器，其特征在于：在悬浮弹性梁(1)的两端或中间经短横梁(3)连接，相对于第一对称轴(X)形成对称并列级联悬梁结构的驱动器；在第一对称轴(X)两侧结构完全相同，驱动器两外侧的悬梁中部通过衬底连接短横梁(4)与衬底相连形成固定端；在每个悬梁上，以长度方向的中心垂直平分线(Y)为第二对称轴，对称地分段沉积压多层膜复合压电单元 (2)，每段多层膜复合压电单元(2)与下面的悬浮弹性梁(1)形成利用压电效应的驱动单元；每条悬浮弹性梁(1)上的多层膜复合压电单元(2)以第二对称轴(Y)对称分布，并且每一侧的多层膜复合压电单元(2)可为2、4、6或8 个，在整个驱动结构中，在第一对称轴X两侧的悬浮弹性梁(1)上以对称方式施加电压，在第一对称轴X每一侧，每个悬浮弹性梁(1)与同一侧邻近悬浮弹性梁(1)相同位置的多层膜复合压电单元(2)的上、下电极施加相反极性电压；在第二对称轴(Y)每一侧的每一个多层膜复合压电单元的上、下电极层与其同一侧邻近多层膜复合压电单元的上、下电极施加相反极性电压；同时，在对称轴 Y两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元上、下电极施加相同极性的电压。

2.根据权利要求1所述用于MEMS的微型压电驱动器，其特征在于：所述压电多层薄膜，每段压电复合多层薄膜单元在弹性薄膜梁上，从下至上有缓冲层 (5)、互相不连接的下薄膜电极层(6)、具有一定形状的多层膜复合压电单元(2) 的压电层(7)及上薄膜电极层(8)复合叠加而成，还可以在上电极薄膜层表面覆盖一层绝缘介质层(9)，上电极引线(10)、下电极引线(11)分别和上薄膜电极层(8)、下薄膜电极层(6)连接。

3.根据权利要求1所述用于MEMS的微型压电驱动器，其特征在于：所述并列级联的悬梁的数目为等于或大于3的整数。

4.根据权利要求1所述的MEMS微型压电驱动器，其特征在于：所述第二对称轴(Y)两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元(2)连接起来，形成一个大多层膜复合压电单元。

说明书全文

技术领域

本发明属于微电子机械领域，特别涉及能在微型芯片上实现大的垂直位移驱动的一种用于MEMS的微型压电驱动器。

背景技术

随着科学技术的进步，电子、机械等系统向着小型化、微型化方向发展，芯片的高密度、多功能、智能化集成成为人们研究的重要方向。近十几年来，以大规模集成电路制造技术和微机械加工技术独有的特殊工艺为基础，实现微型机械结构、微型执行器、微电子器件和电路系的多功能集成，形成所谓的微电子机械系统(MicroElectroMachanical System，简称MEMS)，或微系统(Microsystem)。这种微系统技术的进步使以先进的半导体工艺为基础的集成电路制造技术发展成为在微芯片上制造复杂电子机械系统，形成片上系统集成(SOC)。以微型化、集成化，智能化、信息化、先进制造为特点的MEMS技术从设计到制造，不仅以微电子技术为基础，而且涉及到计算机技术、通信技术、微电子技术、自动控制技术、机械设计与制造等多技术学科，可以说是一门多学科交叉的综合技术。基于MEMS技术的微型传感器、微型执行器、微光学系统、射频系统、微生物芯片、微流体器件、立体集成电路等复杂的微系统，已有相当多的应用于工业、军事、生物、医学等行业。
目前，静电、电磁、热、压电、形状记忆合金等物理原理被广应用于MEMS 执行器和驱动器。静电式和压电式微执行器具有精度高、不发热、响应速度较快等优点。经过人们多年的不懈努力和广泛研究，静电微执行器已成为MEMS驱动的重要部件，同时，其它微执行机制的应用也获得深入的研究。但是，利用这些原理的已有的微执行结构一般具有较大驱动器尺寸、占用较多的芯片面积，而在衬底上实现的垂直驱动位移却有限，制作工艺复杂，可靠性不高，功耗大，寿命短。在已受到广泛研究的MEMS压电薄膜驱动方式中，大多采用悬臂梁结构，由于压电薄膜的伸长量有限，因此悬臂梁结构上的最大偏转位移非常有限，同时，被驱动结构在实现垂直位移时也伴随着横向偏移和转动。这种特点限制了压电驱动方式在MEMS领域的广泛应用，造成目前采用压电薄膜驱动的成熟MEMS商品化器件极少出现。这种悬臂驱动结构要实现大的垂直位移，要求增加梁的长度和增大驱动电压，这样就一方面增加了由重力引起的悬臂梁静态偏转量，致使未加电压时，悬臂即有较大偏转位移，严重限制它的应用范围。另一方面，这种长的直悬臂梁驱动结构使驱动器的机械抗振强度显著降低，工作中容易产生抖动现象，且极易受冲击折断。另外，这种长的单直悬臂驱动结构增加了悬臂本身的惯性影响，使驱动器的工作频率很低，不适应许多工作频率较高的应用场合。另外，为获得大的位移量，高的驱动电压极易造成压电薄膜击穿，对压电薄膜的质量提出较高的要求，增加压电薄膜淀积的工艺难度。高的驱动电压同时给压电薄膜带来许多附加效应，并增加了相应电子电路的复杂性。在制造方面，长的易振悬臂显著增加制造的复杂性、降低微机械加工的成品率。过长的驱动器长度，也使其很难适应在一些微结构器件或器件阵列中的应用。这些都严重限制了悬臂梁压电驱动器在微电子机械器件和系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于MEMS的微型压电驱动器，其特征在于：这种MEMS微型压电驱动器是采用多级递进方式，增加压电驱动位移。在悬浮弹性梁1的两端或中间经短横梁3连接，相对于第一对称轴X形成对称并列级联悬梁结构，第一对称轴X的两侧结构全部相同，驱动器两外侧的悬梁中部通过衬底连接短横梁4与衬底相连形成固定端；在每个悬梁上，以长度方向的中心垂直平分线Y为第二对称轴，对称地分段沉积压多层膜复合压电单元4，每段多层膜复合压电单元2与下面的悬浮弹性梁1形成利用压电效应的驱动单元；每条悬浮弹性梁1上的多层膜复合压电单元2以第二对称轴Y对称分布，并且每一侧的多层膜复合压电单元2可为2、4、6或8个，在整个驱动结构中，在第一对称轴X两侧的悬浮弹性梁1上以对称方式施加电压，在第一对称轴X每一侧，每个悬浮弹性梁1与同一侧邻近悬浮弹性梁1相同位置的多层膜复合压电单元的上、下电极施加相反极性电压；在第二对称轴Y每一侧的每一个多层膜复合压电单元的上、下电极层与其同一侧邻近多层膜复合压电单元的上、下电极施加相反极性电压；同时，在第二对称轴Y两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元上、下电极施加相同极性的电压。
所述多层膜复合压电单元是在弹性薄膜梁1上，从下至上有缓冲层5、互相不连接的下薄膜电极层6、具有一定形状的多层膜复合压电单元2的压电层7及上薄膜电极层8复合叠加而成，还可以在上电极薄膜层表面覆盖一层绝缘介质层9，上电极引线10、下电极引线11分别和上薄膜电极层8、下薄膜电极层6连接。
所述并列级联的悬梁的数目可以为等于或大于3的整数。
所述压电层7可为PZT、PLZT、ZnO、AlN、PVDF中的一种压电材料或由一种以上的压电材料复合成多层压电薄膜、或压电薄膜与预先淀积的压电种子层的复合膜。
所述悬浮弹性梁1可为单晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅中一种或一种以上弹性材料的复合层膜。
所述第二对称轴Y两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元2可以连接起来，形成一个大多层膜复合压电单元。
本发明的有益效果是采用一种多级递进级联的悬浮驱动结构实现了大的垂直位移。有效的缩短了驱动器的长度，使其在一些应用中可大幅度节省器件面积；降低了驱动电压；提高了驱动器的工作频率，具有很好的器件驱动性能。同时，其结构简单，具有很高的器件可靠性，工艺简单，易加工，有较高的制造成品率，适合批量生产。
附图说明：
图1为悬浮弹性梁及其上的多层膜复合压电单元示意图。
图2为悬浮弹性梁上的多层膜复合压电单元施加特定电压后驱动梁变形示意图。
图3为由四个悬浮弹性驱动梁构成的驱动器结构示意图。
图4为四个悬浮弹性驱动梁构成的驱动器工作原理示意图。
图5为由三个悬浮弹性驱动梁构成的驱动器结构示意图。
图6为七个或八个悬浮弹性驱动梁构成的驱动器工作原理示意图。
图7为多层膜复合压电单元结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于MEMS的微型压电驱动器。在这种MEMS微型压电驱动器上采用多级递进方式，增加压电驱动位移。在悬浮弹性梁1的两端或中间经短横梁3连接，相对于第一对称轴X形成对称并列级联悬梁结构，并列级联的悬梁的数目可以为等于或大于3的整数。第一对称轴X两侧结构相同，驱动器两外侧的悬梁中部通过衬底连接短横梁4与衬底相连形成固定端；在每个悬梁上，以长度方向的中心垂直平分线Y为第二对称轴，对称地分段沉积压多层膜复合压电单元2，每段多层膜复合压电单元2与下面的悬浮弹性梁1形成利用压电效应的驱动单元；每条悬浮弹性梁1上的多层膜复合压电单元2以第二对称轴Y对称分布，并且每一侧的多层膜复合压电单元2可为2、4、6或8个，在整个驱动结构中，在第一对称轴X两侧的悬浮弹性梁1上以对称方式施加电压，在第一对称轴 x每一侧，每个悬浮弹性梁1与同一侧邻近悬浮弹性梁1相同位置的多层膜复合压电单元的上、下电极施加相反极性电压；在第二对称轴Y每一侧的每一个多层膜复合压电单元的上、下电极层与其同一侧邻近多层膜复合压电单元的上、下电极施加相反极性电压；同时，在第二对称轴Y两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元上、下电极施加相同极性的电压(如图1、图2所示)。
上述压电层7可为PZT、PLZT、ZnO、AlN、PVDF中的一种压电材料或由一种以上的压电材料复合成多层压电薄膜、或压电薄膜与预先淀积的压电种子层的复合膜。
上述悬浮弹性梁1可为单晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅中一种或一种以上弹性材料的复合层膜。
所述第二对称轴Y两侧最邻近的两个多层膜复合压电单元2可以连接起来，形成一个大多层膜复合压电单元(如图3、图5所示)。
图7所示为多层膜复合压电单元是在弹性薄膜梁1上，从下至上有缓冲层5、互相不连接的下薄膜电极层6、具有一定形状的多层膜复合压电单元2的压电层 7及上薄膜电极层8复合叠加而成，还可以在上电极薄膜层表面覆盖一层绝缘介质层9，上电极引线10、下电极引线11分别和上薄膜电极层8、下薄膜电极层6 连接。形成一种多级递进级联对称驱动方式。
对于仅有一个弹性悬梁的情况，如图1所示。
弹性悬梁上形成四个压电多层膜单元A、B、C、D。其中，A、B和C、D 相对于第二对称轴Y对称。若在压电多层膜单元A、C的上下电极间施加相同电压，而在B、D上下电极间施加大小相同，极性相反电压。则整个悬梁会产生如图2所示的弯曲。
若将图1所示的弹性悬梁单元经短梁连接形成图3所示的四梁级联驱动器，则整个驱动器相对于第一对称轴X对称。驱动器通过短梁4与衬底相连。因驱动器相对于第一对称轴X轴对称，所以若第一对称轴X两侧的悬梁上对应的压电多层膜上、下电极施加对称的电压和载荷，则第一对称轴X两侧的结构变形和位移完全相同。
从图3所示结构中，第一对称轴X上侧的结构，若在压电多层膜单元1A、 1C、2B、2D上、下电极间施加相同电压，而在1B、1D、2A、2C上、下电极间施加大小相同，极性相反电压。则整个悬浮结构可能会产生如图4所示的弯曲， (侧视图)。这时第一对称轴X上的短梁3则产生最大垂直位移，位移的方向随各个压电多层膜单元所施加的电压极性不同而不同。
由图1所示单悬梁组成驱动器，根据其数目不同可以有三梁、四梁、五梁、六梁、七梁、八梁等结构形式，它们均是通过不同数目悬梁的递进作用产生大的垂直位移。
对于三梁(如图5所示)、四梁驱动器(如图3所示)，当施加要求电压后的结构变形如图4所示(侧视图)。
对于七梁、八梁驱动器，当施加要求电压后的结构变形如图6所示(侧视图)。
上述两种情况均是在第一对称轴X和第二对称轴Y交汇点处发生最大位移。
对于五梁、六梁驱动器，当施加要求电压后最大位移发生在中间长悬梁的两端。
实现本专利的微型压电驱动器有多种工艺方法。下面仅阐述其中一种方法：首先使用双面抛光衬底硅片，双面热氧化后淀积氮化硅，背面光刻结构窗口，刻蚀掉氮化硅，漂去露出的热氧化层，利用KOH或TMAH等各向异性腐蚀液进行体硅腐蚀，形成硅薄膜，然后去掉两面的氮化硅和热氧化层，重新生长适当厚度的热氧化薄膜作为缓冲层，在正面进行PZT(锆钛酸铅)复合多层薄膜的制作工艺，在正面依次淀积下电极层，压电薄膜，上电极层，并采用物理或化学刻蚀工艺，依次刻蚀出上电极、压电层、下电极图形，最后淀积绝缘介质膜，再采用物理或化学刻蚀工艺刻蚀上下电极引线孔，淀积金属并刻蚀连线。随后光刻并采用各向异性刻蚀工艺刻蚀硅膜，释放悬浮结构，形成驱动结构。在本方法实例中，下电极可由钛/铂复合层或铂构成，压电薄膜由压电种子层PbTiO3与PZT复合层构成，上电极由钛/铂复合层或铂构成。

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