專利名稱：一種用于mems的微型壓電驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械領(lǐng)域，特別涉及能在微型芯片上實現(xiàn)大的垂直位移驅(qū)動的一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進步，電子、機械等系統(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，以大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微機械加工技術(shù)獨有的特殊工藝為基礎(chǔ)，實現(xiàn)微型機械結(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械系統(tǒng)(MicroElectroMachanical System，簡稱MEMS)，或微系統(tǒng)(Microsystem)。這種微系統(tǒng)技術(shù)的進步使以先進的半導(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、先進制造為特點的MEMS技術(shù)從設(shè)計到制造，不僅以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，而且涉及到計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械設(shè)計與制造等多技術(shù)學(xué)科，可以說是一門多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。基于MEMS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。經(jīng)過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)動的重要部件，同時，其它微執(zhí)行機制的應(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)動器尺寸、占用較多的芯片面積，而在襯底上實現(xiàn)的垂直驅(qū)動位移卻有限，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)動方式中，大多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于壓電薄膜的伸長量有限，因此懸臂梁結(jié)構(gòu)上的最大偏轉(zhuǎn)位移非常有限，同時，被驅(qū)動結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)垂直位移時也伴隨著橫向偏移和轉(zhuǎn)動。這種特點限制了壓電驅(qū)動方式在MEMS領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，造成目前采用壓電薄膜驅(qū)動的成熟MEMS商品化器件極少出現(xiàn)。這種懸臂驅(qū)動結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)大的垂直位移，要求增加梁的長度和增大驅(qū)動電壓，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，懸臂即有較大偏轉(zhuǎn)位移，嚴重限制它的應(yīng)用范圍。另一方面，這種長的直懸臂梁驅(qū)動結(jié)構(gòu)使驅(qū)動器的機械抗振強度顯著降低，工作中容易產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，且極易受沖擊折斷。另外，這種長的單直懸臂驅(qū)動結(jié)構(gòu)增加了懸臂本身的慣性影響，使驅(qū)動器的工作頻率很低，不適應(yīng)許多工作頻率較高的應(yīng)用場合。另外，為獲得大的位移量，高的驅(qū)動電壓極易造成壓電薄膜擊穿，對壓電薄膜的質(zhì)量提出較高的要求，增加壓電薄膜淀積的工藝難度。高的驅(qū)動電壓同時給壓電薄膜帶來許多附加效應(yīng)，并增加了相應(yīng)電子電路的復(fù)雜性。在制造方面，長的易振懸臂顯著增加制造的復(fù)雜性、降低微機械加工的成品率。過長的驅(qū)動器長度，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。這些都嚴重限制了懸臂梁壓電驅(qū)動器在微電子機械器件和系統(tǒng)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于這種MEMS微型壓電驅(qū)動器是采用多級遞進方式，增加壓電驅(qū)動位移。在懸浮彈性梁1的兩端或中間經(jīng)短橫梁3連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)，兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動器兩外側(cè)的懸梁中部通過襯底連接短橫梁4與襯底相連形成固定端；在每個懸梁上，以長度方向的中心垂直平分線Y為對稱軸，對稱地分段沉積壓多層膜復(fù)合壓電單元4，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)以對稱軸Y對稱分布，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，在整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，在對稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁1上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側(cè)，每個懸浮彈性梁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；在對稱軸Y每一側(cè)的每一個多層膜復(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，在對稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(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。
所述對稱軸(Y)兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(fù)合壓電單元2可以連接起來，形成一個大多層膜復(fù)合壓電單元。
本發(fā)明的有益效果是采用一種多級遞進級聯(lián)的懸浮驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大的垂直位移。有效的縮短了驅(qū)動器的長度，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)動電壓；提高了驅(qū)動器的工作頻率，具有很好的器件驅(qū)動性能。同時，其結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的器件可靠性，工藝簡單，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為懸浮彈性梁上的多層膜復(fù)合壓電單元施加特定電壓后驅(qū)動梁變形示意圖。
圖3為由四個懸浮彈性驅(qū)動梁構(gòu)成的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為四個懸浮彈性驅(qū)動梁構(gòu)成的驅(qū)動器工作原理示意圖。
圖5為由三個懸浮彈性驅(qū)動梁構(gòu)成的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為七個或八個懸浮彈性驅(qū)動梁構(gòu)成的驅(qū)動器工作原理示意圖。
圖7為多層膜復(fù)合壓電單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。在這種MEMS微型壓電驅(qū)動器上采用多級遞進方式，增加壓電驅(qū)動位移。在懸浮彈性梁1的兩端或中間經(jīng)短橫梁3連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)，并列級聯(lián)的懸梁的數(shù)目可以為等于或大于3的整數(shù)。對稱軸X兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動器兩外側(cè)的懸梁中部通過襯底連接短橫梁4與襯底相連形成固定端；在每個懸梁上，以長度方向的中心垂直平分線Y為對稱軸，對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以對稱軸Y對稱分布，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，在整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，在對稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁1上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側(cè)，每個懸浮彈性梁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；在對稱軸Y每一側(cè)的每一個多層膜復(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，在對稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(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。
所述對稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(fù)合壓電單元2可以連接起來，形成一個大多層膜復(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。形成一種多級遞進級聯(lián)對稱驅(qū)動方式。
對于僅有一個彈性懸梁的情況，如圖1所示。彈性懸梁上形成四個壓電多層膜單元A、B、C、D。其中，A、B和C、D相對于中心對稱軸Y對稱。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。則整個懸梁會產(chǎn)生如圖2所示的彎曲。
若將圖1所示的彈性懸梁單元經(jīng)短梁連接形成圖3所示的四梁級聯(lián)驅(qū)動器，則整個驅(qū)動器相對于對稱軸X對稱。驅(qū)動器通過短梁4與襯底相連。因驅(qū)動器相對于X軸對稱，所以若X軸兩側(cè)的懸梁上對應(yīng)的壓電多層膜上、下電極施加對稱的電壓和載荷，則對稱軸(X)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)變形和位移完全相同。
從圖3所示結(jié)構(gòu)中，X軸上側(cè)的結(jié)構(gòu)，若在壓電多層膜單元1A、1C、2B、2D上、下電極間施加相同電壓，而在1B、1D、2A、2C上、下電極間施加大小相同，極性相反電壓。則整個懸浮結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生如圖4所示的彎曲，(側(cè)視圖)。這時X軸上的短梁3則產(chǎn)生最大垂直位移，位移的方向隨各個壓電多層膜單元所施加的電壓極性不同而不同。
由圖1所示單懸梁組成驅(qū)動器，根據(jù)其數(shù)目不同可以有三梁、四梁、五梁、六梁、七梁、八梁等結(jié)構(gòu)形式，它們均是通過不同數(shù)目懸梁的遞進作用產(chǎn)生大的垂直位移。
對于三梁(如圖5所示)、四梁驅(qū)動器(如圖3所示)，當(dāng)施加要求電壓后的結(jié)構(gòu)變形如圖4所示(側(cè)視圖)。
對于七梁、八梁驅(qū)動器，當(dāng)施加要求電壓后的結(jié)構(gòu)變形如圖6所示(側(cè)視圖)。
上述兩種情況均是在X軸和Y軸交匯點處發(fā)生最大位移。
對于五梁、六梁驅(qū)動器，當(dāng)施加要求電壓后最大位移發(fā)生在中間長懸梁的兩端。
實現(xiàn)本專利的微型壓電驅(qū)動器有多種工藝方法。下面僅闡述其中一種方法首先使用雙面拋光襯底硅片，雙面熱氧化后淀積氮化硅，背面光刻結(jié)構(gòu)窗口，刻蝕掉氮化硅，漂去露出的熱氧化層，利用KOH或TMAH等各向異性腐蝕液進行體硅腐蝕，形成硅薄膜，然后去掉兩面的氮化硅和熱氧化層，重新生長適當(dāng)厚度的熱氧化薄膜作為緩沖層，在正面進行PZT(鋯鈦酸鉛)復(fù)合多層薄膜的制作工藝，在正面依次淀積下電極層，壓電薄膜，上電極層，并采用物理或化學(xué)刻蝕工藝，依次刻蝕出上電極、壓電層、下電極圖形，最后淀積絕緣介質(zhì)膜，再采用物理或化學(xué)刻蝕工藝刻蝕上下電極引線孔，淀積金屬并刻蝕連線。隨后光刻并采用各向異性刻蝕工藝刻蝕硅膜，釋放懸浮結(jié)構(gòu)，形成驅(qū)動結(jié)構(gòu)。在本方法實例中，下電極可由鈦/鉑復(fù)合層或鉑構(gòu)成，壓電薄膜由壓電種子層PbTiO3與PZT復(fù)合層構(gòu)成，上電極由鈦/鉑復(fù)合層或鉑構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，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，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器；兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，驅(qū)動器兩外側(cè)的懸梁中部通過襯底連接短橫梁(4)與襯底相連形成固定端；在每個懸梁上，以長度方向的中心垂直平分線Y為對稱軸，對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)以對稱軸Y對稱分布，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，在整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，在對稱軸X兩側(cè)的懸浮彈性梁(1)上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側(cè)，每個懸浮彈性梁(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(2)的上、下電極施加相反極性電壓；在對稱軸Y每一側(cè)的每一個多層膜復(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，在對稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(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所述用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，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所述用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于所述并列級聯(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所述的MEMS微型壓電驅(qū)動器，其特征在于所述對稱軸Y兩側(cè)最鄰近的兩個多層膜復(fù)合壓電單元(2)可以連接起來，形成一個大多層膜復(fù)合壓電單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微電子機械領(lǐng)域的一種能產(chǎn)生大垂直位移的用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。驅(qū)動器采用多級遞進方式，增加壓電驅(qū)動位移。在懸浮彈性梁的兩端或中間經(jīng)短橫梁連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯(lián)懸梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器，驅(qū)動器兩外側(cè)的懸梁中部通過連接襯底的短橫梁與襯底相連形成固定端。并列級聯(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)合壓電單元以對稱軸Y對稱分布，形成多級遞進、增加壓電驅(qū)動位移的大垂直位移壓電驅(qū)動器。本發(fā)明可減少微電機械系統(tǒng)中驅(qū)動結(jié)構(gòu)的長度，降低驅(qū)動電壓，具有較大的驅(qū)動力。其結(jié)構(gòu)簡單，器件可靠性高，工藝簡單，易加工，較高的制造成品率，適合批量生產(chǎn)。在各種微電子機械器件和系統(tǒng)中具有重要價值。
文檔編號H02N2/02GK1564451SQ20041000867
公開日2005年1月12日 申請日期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 申請人:清華大學(xué)