带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机技术

本发明专利技术公开了带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机，涉及行波微执行器技术领域，其技术方案要点是：包括依次设置的PZT层、顶硅结构层以及多个定子齿；多个所述定子齿以圆周分布方式布置在顶硅结构层背向PZT层的侧面，且相邻的定子齿间隔设置。一方面，利用PZT

【技术实现步骤摘要】
带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机


[0001]本专利技术涉及行波微执行器
，更具体地说，它涉及带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机。

技术介绍

[0002]MEMS压电执行器具有体积小、质量轻、易于与基体结构集成、价格低廉，而且由材料的固态结晶效应产生位移，位移分辨率高，输出力大，承受载荷大，响应速度快，瞬时加速度大等优势，受到了广泛关注，可为微马达提供高分辨率定位、高动态运动特征等需求。
[0003]现有技术中的行波微执行器结构采用PZT
‑
SOI片进行制作，如图1所示，PZT
‑
SOI片包括由下而上依次设置的背硅支撑层、顶硅结构层和PZT层。然而，常规行波微执行器的结构设计与工艺实现是先刻蚀PZT层与顶硅结构层作为驱动结构层，然后在刻蚀背硅支撑层做为释放后的支撑结构，行波驱动质点在做椭圆运动的时候，质点在圆周方向的位移分量较小，导致驱动的转换效率比较低，而且PZT薄膜层直接与转子接触会出现摩擦磨损，使得PZT薄膜容易被磨坏，从而导致驱动器失效；此外，由于常规设计的PZT薄膜行波微马达的驱动结构层厚度有限，在一定程度上约束了微马达输出力矩的有限性，且在MEMS工艺中额外集成其他材料形成位移放大齿工艺上实现难度较大。
[0004]因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机是我们目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供带位移放大齿的行波微执行器结构、制备方法及微型电机，结合MEMS工艺在原PZT结构的基础上，有效解决了PZT薄膜的摩擦磨损问题，同时可以提升输出力矩。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]第一方面，提供了带位移放大齿的行波微执行器结构，包括依次设置的PZT层、顶硅结构层以及多个定子齿；
[0008]多个所述定子齿以圆周分布方式布置在顶硅结构层背向PZT层的侧面，且相邻的定子齿间隔设置。
[0009]优选的，所述定子齿的厚度为100um
‑
120um。
[0010]优选的，所述定子齿的厚度为110um。
[0011]优选的，所述定子齿的齿内径为1200
‑
1300um。
[0012]优选的，所述定子齿的齿内径为1250um。
[0013]优选的，所述PZT层的厚度为5um。
[0014]优选的，所述顶硅结构层的厚度为25um。
[0015]第二方面，提供了如第一方面中所述的带位移放大齿的行波微执行器结构的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1：刻蚀PZT
‑
SOI片中的PZT层与顶硅结构层；
[0017]S2：减薄PZT
‑
SOI片中背硅支撑层的厚度至设计厚度；
[0018]S3：DRIE刻蚀背硅支撑层形成位移放大齿结构，得到行波微执行器结构。
[0019]第三方面，提供了如第一方面中所述的带位移放大齿的行波微执行器结构的制备方法，包括以下步骤：
[0020]S11：对一个PZT
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SOI片中的PZT层进行图形化以及对背硅支撑层进行刻蚀；
[0021]S21：对另一个PZT
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SOI片中的顶硅结构层做齿结构图形；
[0022]S31：将S11和S21中的两个PZT
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SOI片以PZT层正对的方式进行键合；
[0023]S41：键合完成后去掉S21中齿结构的背硅支撑层；
[0024]S51：刻蚀S11中的顶硅结构层将行波微执行器结构进行释放。
[0025]第四方面，提供了一种微型电机，包括转子以及如第一方面中所述的带位移放大齿的行波微执行器结构。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0027]1、本专利技术提出的带位移放大齿的行波微执行器结构，结合MEMS工艺在原PZT结构的基础上，有效解决了PZT薄膜的摩擦磨损问题；
[0028]2、本专利技术从PZT
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SOI片中的正面与背面的两种方式实现了行波微执行器结构的制备，一方面，利用PZT
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SOI片中的背硅支撑层制备定子齿；另一方面，采用两个PZT
‑
SOI片的键合方式实现行波微执行器结构的制备；在有效解决PZT薄膜的摩擦磨损问题的同时可以提升输出力矩；
[0029]3、本专利技术通过体硅工艺实现厚度是结构层厚度几倍的位移放大齿设计，实现了高厚度位移放大齿结构的制备。
附图说明
[0030]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0031]图1是现有技术中PZT
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SOI片的结构示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例1中的整体结构示意图；
[0033]图3是本专利技术实施例2中的制备示意图；
[0034]图4是本专利技术实施例3中的制备示意图；
[0035]图5是本专利技术实施例4中的模态效果示意图，a为模态示意结构，b为模型图；
[0036]图6是本专利技术实施例4中齿高参数的仿真示意图；
[0037]图7是本专利技术实施例4中齿内径参数的仿真示意图，a为定子齿表面取线图，b为定子齿表面形貌位移图。
[0038]附图中标记及对应的零部件名称：
[0039]1、PZT层；2、顶硅结构层；3、背硅支撑层；4、转子；5、定子齿。
具体实施方式
[0040]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作
为对本专利技术的限定。
[0041]需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
[0042]需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0043]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0044]实施例1：带位移放大齿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，包括依次设置的PZT层(1)、顶硅结构层(2)以及多个定子齿(5)；多个所述定子齿(5)以圆周分布方式布置在顶硅结构层(2)背向PZT层(1)的侧面，且相邻的定子齿(5)间隔设置。2.根据权利要求1所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述定子齿(5)的厚度为100um
‑
120um。3.根据权利要求2所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述定子齿(5)的厚度为110um。4.根据权利要求1所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述定子齿(5)的齿内径为1200
‑
1300um。5.根据权利要求4所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述定子齿(5)的齿内径为1250um。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述PZT层(1)的厚度为5um。7.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的带位移放大齿的行波微执行器结构，其特征是，所述顶硅结构层(2)的厚度为25um。8.如权利要求1
‑
7任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨天宇，陈余，李小石，孙翔宇，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：