專利名稱：一種mems的微型壓電驅動器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微電子機械領域，特別涉及能在微型芯片上實現大的垂直位移驅動的一種MEMS的微型壓電驅動器。
背景技術：
隨著科學技術的進步，電子、機械等系統向著小型化、微型化方向發展，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，以大規模集成電路制造技術和微機械加工技術獨有的特殊工藝為基礎，實現微型機械結構、微型執行器、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(MicroElectroMachanical System，簡稱MEMS)，或微系統(Microsystem)。這種微系統技術的進步使以先進的半導體工藝為基礎的集成電路制造技術發展成為在微芯片上制造復雜電子機械系統，形成片上系統集成(SOC)。以微型化、集成化，智能化、信息化、先進制造為特點的MEMS技術從設計到制造，不僅以微電了技術為基礎，而且涉及到計算機技術、通信技術、微電子技術、自動控制技術、機械設計與制造等多技術學科，可以說是一門多學科交叉的綜合技術。基于MEMS技術的微型傳感器、微型執行器、微光學系統、射頻系統、微生物芯片、微流體器件、立體集成電路等復雜的微系統，已有相當多的應用于工業、軍事、生物、醫學等行業。
目前，靜電、電磁、熱、壓電、形狀記憶合金等物理原理被廣應用于MEMS執行器和驅動器。靜電式和壓電式微執行器具有精度高、不發熱、響應速度較快等優點。經過人們多年的不懈努力和廣泛研究，靜電微執行器已成為MEMS驅動的重要部件，同時，其它微執行機制的應用也獲得深入的研究。但是，利用這些原理的已有的微執行結構一般具有較大驅動器尺寸、占用較多的芯片面積，而在襯底上實現的垂直驅動位移卻有限，制作工藝復雜，可靠性不高，功耗大，壽命短。在已受到廣泛研究的MEMS壓電薄膜驅動方式中，大多采用懸臂梁結構，由于壓電薄膜的伸長量有限，因此懸臂梁結構上的最大偏轉位移非常有限，同時，被驅動結構在實現垂直位移時也伴隨著橫向偏移和轉動。這種特點限制了壓電驅動方式在MEMS領域的廣泛應用，造成目前采用壓電薄膜驅動的成熟MEMS商品化器件極少出現。這種懸臂驅動結構要實現大的垂直位移，要求增加梁的長度和增大驅動電壓，這樣就一方面增加了由重力引起的懸臂梁靜態偏轉量，致使未加電壓時，懸臂即有較大偏轉位移，嚴重限制它的應用范圍。另一方面，這種長的直懸臂梁驅動結構使驅動器的機械抗振強度顯著降低，工作中容易產生抖動現象，且極易受沖擊折斷。另外，這種長的單直懸臂驅動結構增加了懸臂本身的慣性影響，使驅動器的工作頻率很低，不適應許多工作頻率較高的應用場合。另外，為獲得大的位移量，高的驅動電壓極易造成壓電薄膜擊穿，對壓電薄膜的質量提出較高的要求，增加了壓電薄膜淀積的工藝難度。高的驅動電壓同時給壓電薄膜帶來許多附加效應，并增加了相應電子電路的復雜性。在制造方面，長的易振懸臂顯著增加制造的復雜性、降低微機械加工的成品率。過長的驅動器長度，也使其很難適應在一些微結構器件或器件陣列中的應用。這些都嚴重限制了懸臂梁壓電驅動器在微電子機械器件和系統中的應用。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種MEMS的微型壓電驅動器，其特征在于在懸浮彈性梁1的兩端或中間經短橫梁1連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯懸梁結構，兩側結構相同，驅動器兩外側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合壓電單元2，每段多層膜復合壓電單元2與下面的懸浮彈性梁1形成利用壓電效應的驅動單元；每條懸浮彈性梁1上的多層膜復合壓電單元2以對稱軸Y對稱分布，并且每一側的多層膜復合壓電單元2可為2、4、6或8個，在整個驅動結構中，在對稱軸X兩側的懸浮彈性梁1上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側，每個懸浮彈性梁1與同一側鄰近懸浮彈性梁1相同位置的多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對稱軸Y每一側的每一個多層膜復合壓電單元的上、下電極層與其同一側鄰近多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時，在對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元上、下電極施加相同極性的電壓。
所述多層膜復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合壓電單元2的壓電層7及上薄膜電極層8復合疊加而成，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。
所述并列級聯的懸梁的數目可以為等于或大于3的整數。
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合成多層壓電薄膜、或壓電薄膜與預先淀積的壓電種子層的復合膜。
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合層膜。
所述對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元2可以連接起來，形成一個大多層膜復合壓電單元。
本實用新型的有益效果是采用一種多級遞進級聯的懸浮驅動結構實現了大的垂直位移。有效的縮短了驅動器的長度，使其在一些應用中可大幅度節省器件面積；降低了驅動電壓；提高了驅動器的工作頻率，具有很好的器件驅動性能。同時，其結構簡單，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。
圖1為懸浮彈性梁及其上的多層膜復合壓電單元示意圖。
圖2為由四個懸浮彈性驅動梁構成的驅動器結構示意圖。
圖3為由三個懸浮彈性驅動梁構成的驅動器結構示意圖。
圖4為多層膜復合壓電單元結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種MEMS的微型壓電驅動器。在懸浮彈性梁1的兩端或中間經短橫梁3連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯懸梁結構，并列級聯的懸梁的數目可以為等于或大于3的整數。對稱軸X兩側結構相同，驅動器兩外側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合壓電單元2，每段多層膜復合壓電單元2與下面的懸浮彈性梁1形成利用壓電效應的驅動單元；每條懸浮彈性梁1上的多層膜復合壓電單元2以對稱軸Y對稱分布，并且每一側的多層膜復合壓電單元2可為2、4、6或8個，在整個驅動結構中，在對稱軸X兩側的懸浮彈性梁1上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側，每個懸浮彈性梁1與同一側鄰近懸浮彈性梁1相同位置的多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對稱軸Y每一側的每一個多層膜復合壓電單元的上、下電極層與其同一側鄰近多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時，在對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元上、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合成多層壓電薄膜、或壓電薄膜與預先淀積的壓電種子層的復合膜。
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合層膜。
所述對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元2可以連接起來，形成一個大多層膜復合壓電單元(如圖3、圖5所示)。
圖7所示為多層膜復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合壓電單元2的壓電層7及上薄膜電極層8復合疊加而成，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所示為一個彈性懸梁的情況。
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。則整個懸梁會產生彎曲。
若將圖1所示的彈性懸梁單元經短橫梁3連接成三梁(如圖3所示)、四梁驅動器(如圖2所示)，則整個驅動器相對于對稱軸X對稱。驅動器通過襯底連接短橫梁4與襯底相連。因驅動器相對于X軸對稱，所以若X軸兩側的懸梁上對應的壓電多層膜上、下電極施加對稱的電壓和載荷，則對稱軸X兩側的結構變形和位移完全相同。
權利要求1.一種MEMS的微型壓電驅動器，其特征在于在懸浮彈性梁(1)的兩端或中間經短橫梁(3)連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯懸梁結構的驅動器；對稱軸X兩側結構相同，驅動器兩外側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合壓電單元(2)，每段多層膜復合壓電單元(2)與下面的懸浮彈性梁(1)形成利用壓電效應的驅動單元；每條懸浮彈性梁(1)上的多層膜復合壓電單元(2)以對稱軸Y對稱分布，并且每一側的多層膜復合壓電單元(2)可為2、4、6或8個，在整個驅動結構中，在對稱軸X兩側的懸浮彈性梁(1)上以對稱方式施加電壓，在對稱軸X每一側，每個懸浮彈性梁(1)與同一側鄰近懸浮彈性梁(1)相同位置的多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；在對稱軸Y每一側的每一個多層膜復合壓電單元的上、下電極層與其同一側鄰近多層膜復合壓電單元的上、下電極施加相反極性電壓；同時，在對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元上、下電極施加相同極性的電壓。
2.根據權利要求1所述MEMS的微型壓電驅動器，其特征在于所述壓電多層薄膜，每段壓電復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合壓電單元(2)的壓電層(7)及上薄膜電極層(8)復合疊加而成，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.根據權利要求1所述MEMS的微型壓電驅動器，其特征在于所述并列級聯的懸梁的數目可以為等于或大于3的整數。
4.根據權利要求1所述MEMS的微型壓電驅動器，其特征在于所述對稱軸Y兩側最鄰近的兩個多層膜復合壓電單元(2)可以連接起來，形成一個大多層膜復合壓電單元。
專利摘要本實用新型公開了屬于微電子機械領域的能產生大垂直位移的一種MEMS的微型壓電驅動器。在懸浮彈性梁的兩端或中間經短橫梁連接，相對于對稱軸X形成對稱并列級聯懸梁結構的驅動器，驅動器兩外側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，并列級聯的懸梁的數目可以為等于或大于3的整數。每條懸浮彈性梁上的多層膜復合壓電單元以對稱軸Y對稱分布，形成多級遞進、增加壓電驅動位移的大垂直位移壓電驅動器。本實用新型可減少微電機械系統中驅動結構的長度，降低驅動電壓，具有較大的驅動力。其結構簡單，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。
文檔編號H02N2/02GK2689586SQ20042000714
公開日2005年3月30日 申請日期2004年3月18日 優先權日2004年3月18日
發明者方華軍, 劉理天, 任天令 申請人:清華大學