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，特別涉及一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
微電子機械系統(tǒng)(MicroElectroMachanical System)，簡稱MEMS。是微型化、集成化，智能化、信息化、先進制造等高新技術(shù)領(lǐng)域的前沿科學(xué)。MEMS是以先進的半導(dǎo)體工藝和集成電路制造技術(shù)為基礎(chǔ)，拓寬了在微芯片上制造復(fù)雜電子機械系統(tǒng)的方法。這些方法將大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微機械加工技術(shù)獨有的特殊工藝的相結(jié)合，集微型機械結(jié)構(gòu)、微型執(zhí)行器、微電子器件和電路系統(tǒng)于一體，形成所謂的片上系統(tǒng)(SOC)。整個MEMS從設(shè)計到制造，涉及到眾多學(xué)科，以及計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械設(shè)計與制造等多種技術(shù)學(xué)科，可以說是一門多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。涉及的產(chǎn)品主要包括微型傳感器、微型執(zhí)行器、微光學(xué)系統(tǒng)、RF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)，已有相當多的MEMS商品化產(chǎn)品出現(xiàn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、生物、醫(yī)學(xué)等行業(yè)。
目前MEMS器件采用靜電、電磁、熱、壓電等原理實現(xiàn)驅(qū)動。利用這些原理的已有的微執(zhí)行結(jié)構(gòu)大多具有較大驅(qū)動器尺寸、占用較多的芯片面積，而實現(xiàn)的驅(qū)動位移和偏轉(zhuǎn)量卻有限，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，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，造成目前極少有采用壓電薄膜驅(qū)動的成熟MEMS商品化器件出現(xiàn)。這種懸臂驅(qū)動結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)大的垂直位移或偏轉(zhuǎn)，要求加長梁的長度和增大驅(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)動器的工作頻率降低，不適應(yīng)許多工作頻率較高的應(yīng)用場合。同時，大的驅(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。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。并且在制造方面，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，其特征在于所述微型壓電驅(qū)動器采用折疊形多級壓電復(fù)合多層彈性懸浮薄膜結(jié)構(gòu)，即是由彈性結(jié)構(gòu)層形成連續(xù)的折疊形并列臂，在每段折疊臂的彈性結(jié)構(gòu)層上從下至上覆蓋有緩沖層、互相不連接的下薄膜電極層、具有一定形狀的壓電薄膜層及上薄膜電極層復(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；在每段折疊臂上形成了利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動臂，驅(qū)動臂的一側(cè)或兩側(cè)與襯底相連為固定端；并在鄰近平行的不同驅(qū)動臂上的壓電薄膜的上、下電極施加相反極性的驅(qū)動電壓，用于使鄰近驅(qū)動臂由于壓電薄膜的橫向伸長效應(yīng)而伸長，但整個由壓電復(fù)合多層薄膜材料構(gòu)成的驅(qū)動臂卻只能伴隨著壓電薄膜的伸長而發(fā)生彎曲，從而造成每個驅(qū)動臂的彎曲，由于相鄰驅(qū)動臂所加電壓相反，因此相鄰驅(qū)動臂向相反方向偏轉(zhuǎn)。在每個驅(qū)動臂的端部產(chǎn)生最大垂直位移，并且垂直驅(qū)動位移和偏轉(zhuǎn)角度向遠離固定端的方向逐級疊加，從而在較低的應(yīng)用電壓下可獲得較大的垂直位移；當撤除所加電壓后，由于折疊形懸浮驅(qū)動臂內(nèi)含有彈性材料，驅(qū)動臂在彈性力作用下又恢復(fù)原狀。
所述折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性懸浮驅(qū)動臂分為一種有兩個固定端和另一種只有一個固定端的形式，且可以形成軸對稱結(jié)構(gòu)或形成中心對稱結(jié)構(gòu)。
所述并列的驅(qū)動臂的數(shù)目可以為等于或大于二的整數(shù)。
所述的壓電薄膜為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。
所述折疊形彈性薄膜為單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或一種以上彈性材料的復(fù)合層膜。
本發(fā)明的有益效果是采用一種折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性懸浮驅(qū)動臂實現(xiàn)了大的垂直位移或偏轉(zhuǎn)驅(qū)動。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為懸浮的折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性驅(qū)動臂剖面圖。
圖2為一種三驅(qū)動臂軸對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為一種四驅(qū)動臂軸對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為一種五驅(qū)動臂軸對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為一種二驅(qū)動臂中心對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為一種二驅(qū)動臂非對稱驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明為一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。該微型壓電驅(qū)動器采用折疊形多級壓電復(fù)合多層彈性懸浮薄膜結(jié)構(gòu)，即是在襯底硅片1上形成連續(xù)的折疊形并列臂9，每個臂9的彈性硅襯底層1上從下至上覆蓋有緩沖層4、互相不連接的下薄膜電極層5、具有一定形狀的壓電薄膜6及上薄膜電極層7復(fù)合疊加而成，還可以覆蓋一層絕緣介質(zhì)層8在上電極薄膜7表面；下薄膜電極層5和下電極引線2相接，上薄膜電極層7和上電極引線3相接(如圖1所示)；在每段折疊臂上形成了利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動臂，驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一側(cè)或兩側(cè)與襯底相連為固定端；并在鄰近平行的不同驅(qū)動臂上的壓電薄膜的上、下電極上施加相反極性驅(qū)動電壓，于是使鄰近驅(qū)動臂由于壓電薄膜的橫向伸長效應(yīng)而伸長，但整個由壓電復(fù)合多層薄膜材料構(gòu)成的驅(qū)動臂卻只能伴隨著壓電薄膜的伸長而發(fā)生彎曲，從而造成每個驅(qū)動臂的彎曲，由于相鄰驅(qū)動臂所加電壓相反，因此相鄰驅(qū)動臂向相反方向偏轉(zhuǎn)。在每個驅(qū)動臂的端部產(chǎn)生最大垂直位移，并且垂直驅(qū)動位移和偏轉(zhuǎn)角度向遠離固定端的方向逐級疊加，從而在較低的應(yīng)用電壓下可獲得較大的垂直位移。當撤除所加電壓后，由于折疊形懸浮驅(qū)動臂內(nèi)含有彈性材料，驅(qū)動臂在彈性力作用下又恢復(fù)原狀。
上述折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性懸浮驅(qū)動臂分為一種有兩個固定端和另一種只有一個固定端的形式，且可以形成軸對稱結(jié)構(gòu)，也可以形成中心對稱結(jié)構(gòu)。并列的驅(qū)動臂的數(shù)目可以為等于或大于二的數(shù)目(如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示)。
所述的壓電薄膜為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。
所述折疊形彈性薄膜為單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或一種以上彈性材料的復(fù)合層膜。
實現(xiàn)本專利的微型壓電驅(qū)動結(jié)構(gòu)有多種工藝方法。下面僅闡述其中一種方法流程予以說明先使用雙面拋光襯底硅片1，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，重新生長適當厚度的熱氧化薄膜作為緩沖層4，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5，壓電薄膜6，上電極層7，并采用物理或化學(xué)刻蝕工藝，依次刻蝕出上電極3、下電極2和緩沖層4，最后淀積絕緣介質(zhì)膜8，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，下電極由鈦/鉑復(fù)合層構(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/鉑或鉑構(gòu)成。
在本結(jié)構(gòu)的其它實現(xiàn)實例中，壓電薄膜也可由其它材料構(gòu)成，如PLZT、ZnO、AlN、PVDF等各種壓電材料或由多種壓電材料構(gòu)成的復(fù)合多層壓電薄膜及為淀積壓電材料或改善壓電材料性能而預(yù)先淀積的相關(guān)壓電種子層。折疊形彈性薄膜材料也可能為其它各種彈性材料，如單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或多種彈性材料的復(fù)合多層膜等。這種結(jié)構(gòu)可使用MEMS表面微加工工藝和MEMS體加工工藝相結(jié)合的方法實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于所述微型壓電驅(qū)動器采用折疊形多級回轉(zhuǎn)壓電復(fù)合多層彈性懸浮薄膜結(jié)構(gòu)，即是由彈性結(jié)構(gòu)襯底層形成連續(xù)的折疊形并列臂，每個臂的彈性薄膜襯底層上從下至上覆蓋有緩沖層、互相不連接的下薄膜電極層、具有一定形狀的壓電薄膜層及上薄膜電極層復(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；在每段折疊臂上形成了利用壓電效應(yīng)的驅(qū)動臂，整個驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一側(cè)或兩側(cè)與襯底相連為固定端；并在鄰近平行的不同驅(qū)動臂上的壓電薄膜的上、下電極施加相反極性驅(qū)動電壓；用于使鄰近驅(qū)動臂由于壓電薄膜的橫向伸長效應(yīng)而伸長，但整個由壓電復(fù)合多層薄膜材料構(gòu)成的驅(qū)動臂卻只能伴隨著壓電薄膜的伸長而發(fā)生彎曲，從而造成每個驅(qū)動臂的彎曲，由于相鄰驅(qū)動臂所加電壓相反，因此相鄰驅(qū)動臂向相反方向偏轉(zhuǎn)，在每個驅(qū)動臂的端部產(chǎn)生最大垂直位移，并且垂直驅(qū)動位移和偏轉(zhuǎn)角度向遠離固定端的方向逐級疊加，從而在較低的應(yīng)用電壓下可獲得較大的垂直位移；當撤除所加電壓后，由于折疊形懸浮驅(qū)動結(jié)構(gòu)內(nèi)含有彈性材料，驅(qū)動結(jié)構(gòu)在彈性力作用下又恢復(fù)原狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于所述折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性驅(qū)動臂分為一種有兩個固定端和另一種只有一個固定端的形式，且可以形成軸對稱結(jié)構(gòu)或形成中心對稱結(jié)構(gòu)。
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的驅(qū)動臂的數(shù)目可以為等于或大于二的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于述的壓電薄膜為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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器，其特征在于所述折疊形彈性薄膜為單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或一種以上彈性材料的復(fù)合層膜。
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)生大偏轉(zhuǎn)角度和垂直位移的用于MEMS的微型壓電驅(qū)動器。驅(qū)動器結(jié)構(gòu)為懸浮的折疊形壓電復(fù)合多層膜彈性驅(qū)動臂，它具有至少兩段或兩段以上并列的壓電驅(qū)動臂，懸浮結(jié)構(gòu)兩側(cè)的驅(qū)動臂與襯底相連。在每段壓電復(fù)合多層膜彈性驅(qū)動臂中含有彈性層及其上面的壓電復(fù)合薄膜，在鄰近平行的不同驅(qū)動臂上的壓電薄膜的上、下電極施加相反極性驅(qū)動電壓時，并列的相鄰各段壓電驅(qū)動臂發(fā)生相反方向的彎曲，由于折疊結(jié)構(gòu)的連接方式，位于懸浮結(jié)構(gòu)中部的驅(qū)動臂上具有最大垂直位移或偏轉(zhuǎn)角度。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，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B81B3/00GK1483660SQ0315352
公開日2004年3月24日 申請日期2003年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者方華軍, 劉理天 申請人:清華大學(xué)