压电执行梁结构制造技术

本发明专利技术提供一种压电执行梁结构，包括：一衬底电极，该衬底电极为矩形；一锚点，其制作在衬底电极上背面纵向的一侧；一压电层，其制作在衬底电极上；一第一上电极，其制作在压电层上横向的一侧；一第二上电极，其制作在压电层上横向的另一侧，该第一上电极和第二上电极不接触。本发明专利技术具有压电位移响应大、结构和制备工艺简单、可靠性高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，特别是一种压电执行梁结构。
技术介绍
MEMS执行器，按照激励方式分为静电激励、压电激励、磁激励和热激励几种，静电激励是依靠极板电容或叉指电容之间的静电力来驱动弹性梁的运动；而压电激励是在压电材料两端施加电压，依靠压电材料的逆压电效应来驱动弹性梁的运动。相比于静电激励方式，压电激励方式机电转换效率高，适合制备低功耗MEMS执行器。常用的压电材料有PZT和氮化铝，其中PZT材料的压电系数大，应用在射频开关中能够以较低的执行电压实现较快的开关响应。2012年，USArmyResearchLaboratory采用三根25μm长的PZT悬臂梁，设计间隙为480nm，用9V的电压实现了81ns的开关时间。遗憾的是PZT材料的制备难度大，工艺重复性差，氮化铝(AlN)材料的压电系数尽管低于PZT材料，但是其制备工艺成熟，与CMOS工艺兼容，并且可以采用双层压电片结构(bimorph)提高等效压电系数。一个典型的双层压电晶片结构由三层金属夹两层压电薄膜的三明治形式构成，该双层压电晶片结构利用额外的弯矩来增加梁在垂直方向上的形变，其电-位移响应大，是作为垂直方向运动的执行器的良好选择。然而许多执行器希望在水平方向上运动，石英材料制备的驱动结构，由于石英梁的尺寸较大，除了上下地面外，还可以在梁的侧面制作电极，这样就可以驱动梁在垂直方向或水平方向上运动，同时梁在水平或垂直方向上的运动也可以通过梁四周的电极进行检测。然而，在MEMS领域，通常采用的压电材料只能制备成薄膜的形状，无法在侧面制作电极。2012年，加州大学伯克利分校的FabianThomasGoericke提出了一种能够使压电梁做水平运动的电极设置方式，其结构包括下电极、中间压电材料层和上电极三部分，下电极与中间材料层形状相同，上电极为“S”形，压电梁在上下电极间电场的作用下同时产生横向和垂直方向位移，其横向位移响应可以用来驱动陀螺。加州大学伯克利分校的这种电极配置方式虽然能够使压电梁产生横向位移，但是其垂直方向的位移分量更大，这种垂直方向上的位移对于执行器件来说是不必要的，尤其作为MEMS陀螺的驱动梁，会引入较大的正交误差。为此，本专利技术提供了一种压电梁电极配置方式，采用该电极配置方式的压电梁，可以只产生横向位移响应，也可以检测横向位移。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种通过配置电极位置和电激励信号实现的具有横向位移激励和响应的压电执行梁结构，该结构具有压电位移响应大、结构和制备工艺简单、可靠性高的特点。本专利技术提供一种压电执行梁结构，包括：一衬底电极，该衬底电极为矩形；一锚点，其制作在衬底电极上背面纵向的一侧，所述的锚点的材料为硅、碳化硅、石英、氮化硅、氮化铝或宝石；一压电层，其制作在衬底电极上；一第一上电极，其制作在压电层上横向的一侧；一第二上电极，其制作在压电层上横向的另一侧，该第一上电极和第二上电极不接触。本专利技术的有益效果是，该结构具有横向位移激励和响应，压电位移响应大、结构和制备工艺简单、可靠性高的特点。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
，以下结合实施例列出附图，详细说明如后，其中：图1为本专利技术提出的一种压电执行梁结构的示意图。具体实施方式请参阅图1所示，本专利技术提供一种压电执行梁结构，包括：一衬底电极2，该衬底电极2为矩形，该衬底电极2的材料为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅；一锚点1，其制作在衬底电极2上背面纵向的一侧，所述的锚点1的材料为硅、碳化硅、石英、氮化硅、氮化铝或宝石；一压电层3，其制作在衬底电极2上，所述的压电3的材料为氮化铝或压电陶瓷；一第一上电极4，其制作在压电层3上横向的一侧，所述的第一上电极4的宽度与第二上电极的宽度相同；一第二上电极5，其制作在压电层3上横向的另一侧，该第一上电极4和第二上电极5不接触。其中所述的第一上电极4和第二上电极5的材料相同，为铝、金、铂、钼、钛铬、镍、铜或多晶硅本专利技术提供的压电执行梁结构在不同的电极配置方式下，既可以作为执行器，也可以作为传感器使用。在第一种电极配置方式下，即衬底电极2施加固定电位，第一上电极4和第二上电极5上施加以衬底电极2电压为共模电压的差分电压信号，该压电执行梁结构可以作为执行器件工作。其工作原理在于，压电层3在第一上电极4一侧受到衬底电极2和第一上电极4之间的电场作用，根据逆压电效应，这一侧存在沿纵向的应变力；同时，压电层3在第二上电极5一侧受到衬底电极2和第二上电极5之间的电场作用，这一侧也存在沿纵向的应变力。由于压电层3在第一上电极4一侧和第二上电极5一侧上的电场大小相等、方向相反，因此这两侧受到的纵向应变力也大小相等、方向相反，这样压电层3就在两个纵向应变力的作用下产生侧向弯曲，从而实现了压电执行梁结构在平面内的偏移运动。因此，第一种电极配置方式下，提出的压电执行梁结构作为执行器工作时，只有横向的形变，而没有垂直方向上的形变。在第二种电极配置方式下，衬底电极2施加固定电位，第一上电极4和第二上电极5作为检测电极，这时该压电执行梁结构可以作为传感器件工作。其工作原理在于，当压电层3在外力的作用下发生横向形变时，压电层3的一侧受到拉伸力的作用，另一侧受到压缩力的作用，根据压电效应原理，压电层3两侧产生电荷大小相等，极性分布相反的电荷积累，也就是说第一上电极4和第二上电极5可以输出反相电信号用来检测压电层3的横向形变大小。综上，本专利技术提供的压电执行梁结构根据应用需求采用不同的电极配置方式，既可以作为执行器件工作，也可以作为检测器工作，本专利技术在MEMS器件尺寸下，实现横向位移激励和响应的功能，使得微执行器和检测器的设计更加灵活。以上实施例仅用以说明本专利技术的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本专利技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本专利技术各实施例技术方案的精神和范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电执行梁结构，包括：一衬底电极，该衬底电极为矩形；一锚点，其制作在衬底电极上背面纵向的一侧；一压电层，其制作在衬底电极上；一第一上电极，其制作在压电层上横向的一侧；一第二上电极，其制作在压电层上横向的另一侧，该第一上电极和第二上电极不接触。

【技术特征摘要】
1.一种压电执行梁结构，包括：
一衬底电极，该衬底电极为矩形；
一锚点，其制作在衬底电极上背面纵向的一侧；
一压电层，其制作在衬底电极上；
一第一上电极，其制作在压电层上横向的一侧；
一第二上电极，其制作在压电层上横向的另一侧，该第一上电极和第
二上电极不接触。
2.根据权利要求1所述的压电执行梁结构，其中所述的第一上电极的
宽度与第二上电极的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的压电执行...

【专利技术属性】
技术研发人员：司朝伟，韩国威，赵永梅，宁瑾，杨富华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11