具有悬臂结构的压电MEMS装置制造方法及图纸

本发明专利技术的主题是“具有悬臂结构的压电MEMS装置”。一种MEMS装置包括第一层、第二层、第一系留部分、第二系留部分和MEMS装置主体，所述第二层连接到所述第一层。所述MEMS装置主体连接到所述第一系留部分和所述第二系留部分。所述MEMS装置主体还包括第一悬臂、第二悬臂和弹簧，所述第一悬臂附接到所述第一系留部分，所述第二悬臂附接到所述第二系留部分。所述弹簧与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。

【技术实现步骤摘要】
具有悬臂结构的压电MEMS装置
[0001]政府权益声明
[0002]本专利技术是依据国防高级研究计划局授予的W911QX18C0021在政府支持下完成的。政府对本专利技术拥有某些权利。

技术介绍

[0003]本公开涉及微机电系统(MEMS)。更具体来说，本公开涉及具有悬臂式结构的MEMS。
[0004]MEMS悬臂是在一侧受约束的装置，并且并入有可用作传感器和致动器的压电材料。可通过使用附接到悬臂的特定质量将此类装置调谐到特定共振频率。MEMS悬臂可能会意外地感测到次频率模式，所述次频率模式会使悬臂以扭转或摇摆运动方式移动而非以主要竖直运动方式移动。响应于次频率模式进行的此类移动被称为“寄生感测(parasitic sensing)”。寄生感测可干扰MEMS装置的操作并造成悬臂断裂。调谐到较低振动频率的悬臂需要较高的检测质量，并且较容易断裂。

技术实现思路

[0005]一种MEMS装置包括第一层、第二层、第一系留部分、第二系留部分和MEMS装置主体。所述第一层连接到所述第二层。所述MEMS装置主体连接到所述第一系留部分和所述第二系留部分。所述MEMS装置主体还包括第一悬臂、第二悬臂和弹簧。所述第一悬臂附接到所述第一系留部分。所述第二悬臂附接到所述第二系留部分。所述弹簧与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。
[0006]一种换能器包括支撑框架和MEMS装置。所述支撑框架还包括支撑晶片、结合材料、第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁和腔。所述结合材料具有高度H。所述第一侧壁通过所述结合材料附接到所述支撑晶片。所述第二侧壁通过所述结合材料在所述第一侧壁的对面附接到所述支撑晶片。所述第三侧壁通过所述结合材料与所述第一侧壁和所述第二侧壁相邻地附接到所述支撑晶片。所述第四侧壁在所述第三侧壁的对面且与所述第一侧壁和所述第二侧壁相邻。所述第四侧壁通过所述结合材料附接到所述支撑晶片。所述腔在所述支撑框架内，且由所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述第三侧壁、所述第四侧壁、所述结合材料和所述支撑晶片形成。所述MEMS装置由所述支撑框架支撑且悬置在所述腔上方。所述MEMS装置还包括第一层、第二层、第一系留部分、第二系留部分和MEMS装置主体。底层连接到所述第一层。所述MEMS装置主体附接到所述第一系留部分和所述第二系留部分。所述MEMS装置主体还包括第一悬臂、第二悬臂和弹簧。所述第一悬臂附接到所述第一系留部分。所述第二悬臂附接到所述第二系留部分。所述弹簧与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。
附图说明
[0007]图1是以平面定向的在先技术MEMS悬臂的透视图。
[0008]图2是MEMS振动计的俯视图。
[0009]图3是沿着图2的线3-3所截取的MEMS振动计的横截面图。
[0010]图4是包括利用弹簧而连接的一对悬臂的MEMS装置的俯视图。
[0011]图5是沿着图4的线5-5所截取的MEMS装置的横截面图。
[0012]图6A是处于松弛状态的MEMS装置的透视图。
[0013]图6B是处于屈曲状态下的MEMS装置的透视图。
[0014]图7是MEMS装置的替代实施方案的俯视图，所述MEMS装置包括具有利用弹簧而连接的四个悬臂的系统。
具体实施方式
[0015]图1是以x-y-z坐标定向的在先技术MEMS悬臂10的透视图。MEMS悬臂10包括支撑结构14、悬臂16和检测质量22，悬臂16具有顶层18和底层20。
[0016]支撑结构14以电方式和机械方式连接到悬臂16的一端。悬臂16的顶层18由诸如氮化铝或锆钛酸铅(PZT)等压电材料制成。悬臂16的底层20由诸如硅等衬底材料制成。在悬臂16的与支撑结构14相对的端部处，悬臂16的底层20连接到检测质量22。支撑结构14基本上位于y-z平面内，且悬臂16基本上位于x-y平面内。
[0017]MEMS悬臂10通过测量响应于振动移动而在悬臂16的顶层18的压电材料中积聚的电荷来感测振动。检测质量22可具有不同的质量，以将MEMS悬臂10调谐成感测特定的振动共振频率。可选地或另外地，可根据底层20的刚度来调谐MEMS悬臂10的共振频率，底层20比顶层18更厚且更具刚性。在MEMS悬臂10在特定共振频率下感测到z方向上的振动力时，悬臂16将沿着z轴以两种方式扭曲。悬臂16的机械移动将使电荷在悬臂16的顶层18的压电材料中积聚。电荷将沿着顶层18传导。
[0018]MEMS悬臂10也对次共振频率模式做出响应。此类振动可在悬臂16中引起寄生感测。y方向上的力将在悬臂16中引起扭转运动。x方向上的力将诱发检测质量22的旋转力矩，且将引起z方向上的摇摆振荡。这种摇摆振荡将类似于主模式，但是响应于不同的共振频率的。这些次共振频率可非常接近主频率模式，并且干扰装置的操作。x方向、y方向和z方向上的过度移动可能造成悬臂断裂。
[0019]图2是MEMS振动计30的俯视图。图3是沿着图2的线3-3所截取的MEMS振动计30的横截面图。将一起论述图2和图3。MEMS振动计30包括MEMS装置32和支撑框架34。MEMS装置32包括顶层36、底层38、电子迹线39、第一系留部分40、第二系留部分42、MEMS装置主体44、第一边缘(margin)46、第一狭槽48、第二边缘50和第二狭槽52。支撑框架34包括第一侧壁54、第二侧壁56、第三侧壁58、第四侧壁60、结合材料62、支撑晶片64和腔66，结合材料62具有高度H。支撑框架34还包括第一附接位点68、第二附接位点70、第三附接位点72和第四附接位点74。图2至图3还示出第一电极75、第二电极76、第一连接导线77A和第二连接导线77B。图3还示出间隙空间GS。
[0020]附接MEMS装置32和支撑框架34以形成MEMS振动计30。MEMS装置32被制造为包括顶层36和底层38的单个件。顶层36是由如氮化铝或PZT等压电材料制成的第一层。底层38是由如表面经掺杂的硅等衬底材料制成的第二层。表面经掺杂的硅允许底层38传导在压电顶层36中产生的电荷。掺杂剂包括但不限于磷或硼。底层38比顶层36更具刚性且更厚。在顶层36与底层38之间有电子迹线39。MEMS装置32还包括在第二系留部分42对面的第一系留部分
40。电子迹线39位于顶层36与底层38之间，并且延伸经过第一系留部分40和第二系留部分42。MEMS装置主体44在两侧附接到第一系留部分40和第二系留部分42。第一边缘46与MEMS装置主体44并排地伸展且附接到第一系留部分40和第二系留部分42。第一狭槽48位于装置主体44与第一边缘46之间。第一狭槽48延伸穿过顶层36和底层38。第二边缘50与MEMS装置主体44并排地并与第一边缘46相对地伸展，且附接到第一系留部分40和第二系留部分42。第二狭槽52位于MEMS装置主体44与第二边缘50之间。第二狭槽52延伸穿过MEMS装置32的顶层36和底层38。
[0021]支撑框架34被构造成使得第一侧壁54在第二侧壁56的对面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS装置，其包括：第一层；第二层，其连接到所述第一层；第一系留部分；第二系留部分；以及MEMS装置主体，其连接到所述第一系留部分和所述第二系留部分，所述MEMS装置主体包括：第一悬臂，其附接到所述第一系留部分；第二悬臂，其附接到所述第二系留部分；以及弹簧，其与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。2.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述MEMS装置被制造为单个件，所述第一层是压电材料且所述第二层是衬底材料。3.根据权利要求1所述的MEMS装置，其还包括：第一边缘，其与所述MEMS装置主体并排、附接到所述第一系留部分和所述第二系留部分两者；第一狭槽，其在所述第一边缘与所述MEMS装置主体之间；第二边缘，其与所述MEMS装置主体并排且与所述第一边缘相对，且附接到所述第一系留部分和所述第二系留部分两者；以及第二狭槽，其在所述第二边缘与所述MEMS装置主体之间。4.根据权利要求1所述的MEMS装置，其还包括：第一检测质量，其连接到所述第一悬臂的所述第二层的底部；以及第二检测质量，其连接到所述第二悬臂的所述第二层的底部。5.根据权利要求4所述的MEMS装置，其中所述第一检测质量等于所述第一悬臂的第一质量，且所述第二检测质量等于所述第二悬臂的第二质量。6.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述弹簧还包括：一组切口，其延伸穿过所述弹簧的所述第一层和所述第二层。7.根据权利要求6所述的MEMS装置，其中所述组切口被切割成迂回图案。8.一种换能器，其包括：支撑框架，其包括：支撑晶片；结合材料，其具有高度H；第一侧壁，其通过所述结合材料附接到所述支撑晶片；第二侧壁，其在所述第一侧壁的对面、通过所述结合材料附接到所述支撑晶片；第三侧壁，其与所述第一侧壁和所述第二侧壁相邻，且通过所述结合材料附接到所述支撑晶片；第四侧壁，其在所述第三侧壁的对面并与所述第一侧壁和所述第二侧壁相邻，且通过所述结合材料附接到所述支撑晶片；以及腔，其形成在所述支撑框架中、由所述第一侧壁、所述第二侧壁、所述第三侧壁、所述第四侧壁和所述支撑晶片形成；以及
MEMS装置，其由所述支撑框架支撑且悬置在所述腔上方，所述MEMS装置包括：第一层；第二层，其连接到所述第一层；第一系留部分；第二系留部分；以及MEMS装置主体，其连接到所述第一系留部分和所述第二系留部分，所述MEMS装置主体包括：第一悬臂，其附接到所述第一系留部分；第二悬臂，其附接到所述第二系留部分；以及弹簧，其与所述第一悬臂和所述第二悬臂可操作地连通。9.根据权利要求8所述的换能器，其还包括：所述支撑框架还包括：第一附接位点，其在所述第一侧壁的顶部处，所述第一悬臂以机械方式附接到所述第一附接位点；第二附接位点，其在所述第二侧壁的顶部处，所述第二悬臂以机械方式附接到所述第二附接位点；第三附接位点，其在所述第三侧壁的顶部处；以及第四附接位点，其在所述第四侧壁的顶部处。10.根据权利要求9所述的换能器，其中所述MEMS装置还包括：第一边缘，其与所述MEMS装置主体并排，其中所述第一边缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：D多塞夫，DP波塔塞克，MA奇尔德里斯，
申请(专利权)人：罗斯蒙特航天公司，
类型：发明
国别省市：