一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器及其制作方法，属于智能材料与结构技术领域。该微驱动器包括由衬底形成的“T”形截面悬臂梁和两个PZT压电厚膜驱动层；两个压电厚膜驱动层位于“T”形截面悬臂梁的上表面并呈对称分布，其中PZT压电厚膜驱动层的厚度大于1μm。本发明专利技术的微驱动器结构简单，无额外运动转换机构，易于高压电性能PZT厚膜的集成；采用体硅加工工艺制作，结构释放难度小，制作可靠性高；压电式横向MEMS微驱动器的所有制作工艺与MEMS工艺兼容，具有集成化、批量化制造的潜力，可广泛用于微纳操纵、微纳机械运动行走、电磁信号/微纳流体的开关/截止阀、振动式传感器等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电厚膜驱动的横向MEMS (微电子机械系统)微驱动器及其制作方法，属于智能材料与结构

技术介绍
MEMS微驱动器的运动方式一般可以分为平动、转动或两者的综合三种。对于平动方式，又可以分为面外垂直(即垂直于衬底平面方向)运动和面内水平(即平行于衬底平面方向)横向运动。横向MEMS微驱动器即是一种能够在面内产生水平运动的微型驱动器， 与面外垂直运动的微驱动器相比，具有面内范围限制小、扩展性强、易于单片集成等优点， 能够广泛应用于微纳操纵、微纳机械运动行走、电磁信号/微纳流体的开关/截止阀、振动式传感器等需要换能、致动的MEMS系统中，遍及信息通讯、机械电子、生物医学、航空航天等军民两用高科技领域。目前横向MEMS微驱动器主要采用静电、电热、电磁和压电四种驱动方式。与前三种驱动方式相比，压电驱动式具有输出力/位移大，响应速度快，工作频率高、控制精度好等优点，已被公认为在高性能驱动器和传感器领域具有重要的应用价值。由于压电式驱动器通常采用带有压电薄膜层和结构层的多层结构，结构层受力来源于压电薄膜层与结构层之间的界面作用力，易于产生面外垂直运动而很难直接实现面内水平横向运动。因此，压电式横向MEMS微驱动器一般需要复杂的额外运动转换结构将面外垂直运动转化为面内水平横向运动。例如，美国麻省理工学院Conway等人(Conway等 Α Large-strain, piezoelectric,in-plane microactuator. Micro Electro Mechanical Systems,2004. 1 7th IEEE International Conference on. (MEMS) · 2004 :454-457.)采用硅基表面加工工艺设计并制作了一种压电薄膜驱动的横向MEMS微驱动器，压电薄膜为溶胶-凝胶法制备的400nm厚锆钛酸铅(PZT)薄膜，该驱动器采用具有运动导向作用的杠杆结构实现横向驱动。美国密歇根大学Oldham等人(Oldham等人，Thin-film PZT lateralactuators with extended stroke. J ournal ot Microelectromechanical Systems. 2008，17 (4) :890-899.)采用溶胶_凝胶法制备的800nm厚PZT薄膜作为压电驱动材料，并利用硅基表面加工工艺制作了具有镂空梁结构的压电式横向MEMS微驱动器，通过悬臂梁的固定端和自由端的压电薄膜产生拉伸运动。由上可以看出，目前已有的压电式横向MEMS微驱动器都是借助于杠杆或镂空梁等结构将面外垂直运动转化为面内水平横向运动，结构复杂，加工难度大。同时，受到压电多层结构和加工工艺的限制，压电材料与硅基衬底总是存在界面匹配问题，界面层之间会产生大量的残余应力，加之它们的加工工艺采用表面加工工艺，悬浮结构更加难以实现安全可靠释放。通常传统压电式横向MEMS微驱动器均采用PZT压电薄膜(不超过1 μ m)以减小残余应力影响并提高器件制作的可靠性，但薄膜压电性能明显低于PZT压电厚膜(厚度大于1 μ m)，这样就降低了横向MEMS微驱动器的性能。综上所述，为了满足设计与制作高性能和高可靠性的压电式横向MEMS微驱动器的要求，需要设计并制作新型结构的压电式横向MEMS微驱动器以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统压电式横向MEMS微驱动器结构复杂，加工难度大、 驱动性能低的问题，满足设计并制作高性能和高可靠性压电式横向MEMS微驱动器的要求， 从而提供一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器及其制作方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术的一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器，包括由衬底形成的“T”形截面悬臂梁和两个PZT压电厚膜驱动层；两个压电厚膜驱动层位于“T”形截面悬臂梁的上表面并呈对称分布，其中PZT压电厚膜驱动层的厚度大于1 μ m。本专利技术的压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器的制作方法，具体步骤如下1)在Si基片双面生长一层SiO2，并刻蚀背面SiO2形成方形刻蚀窗口 ；运用深硅干法刻蚀技术刻蚀Si基片背面窗口并达到所需深度，形成深槽；2)运用溶胶-凝胶法在图形化电极的Pt/Ti/Si02/Si基片正面制备厚度大于2μπι 的PZT压电厚膜，经过PZT厚膜的湿法刻蚀技术形成两个压电厚膜驱动层结构图形；3)利用溅射和剥离工艺在PZT压电厚膜表面制作Pt/Ti双层金属上电极及引线；4)利用干法刻蚀技术刻蚀Si基片正面，刻蚀深度即为压电悬臂梁结构层厚度；5)利用光刻工艺，在Si基片背面深槽中形成两个对称刻蚀窗口，窗口之间距离即为“T”形截面悬臂梁垂直侧壁结构的宽度；运用深硅干法刻蚀技术刻蚀Si基片背面两个窗口并与正面深槽穿通完成悬浮结构释放，最终形成压电厚膜驱动的“T”形截面悬臂梁式横向MEMS微驱动器。本专利技术的压电厚膜驱动的“T”形截面悬臂梁式横向MEMS微驱动器的工作原理主要是基于逆压电效应，通过对两个压电厚膜施加相位相反的驱动电压，实现悬臂梁长度的拉伸或收缩。由于体积的不变性和衬底垂直侧壁结构及悬臂梁固定端的限制，长度的拉伸或收缩将会导致悬臂梁宽度方向的收缩或拉伸，即实现了水平方向的横向运动。此外，当此横向MEMS微驱动器工作在特定的谐振模态时，也会产生横向运动。在加工工艺方面，该驱动器采用体硅加工工艺，其基底垂直薄壁结构可有效抑制压电多层结构的界面残余应力， 有利于高压电性能PZT厚膜的集成，提高器件的驱动性能和悬浮结构释放的可靠性。有益效果与现有的压电式横向MEMS微驱动器相比，本专利技术具有如下优点①结构简单，无额外运动转换机构，易于高压电性能PZT厚膜的集成；②采用体硅加工工艺制作，结构释放难度小，制作可靠性高；③压电式横向MEMS微驱动器的所有制作工艺与MEMS工艺兼容，具有集成化、批量化制造的潜力，可广泛用于微纳操纵、微纳机械运动行走、电磁信号/微纳流体的开关/截止阀、振动式传感器等领域。附图说明图1为压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器的结构示意图；图2为Si片下表面深硅刻蚀工艺示意图；图3为Si片上表面Pt/Ti双层金属下电极制备工艺示意图4为Si片上表面PZT厚膜驱动层制备工艺示意图；图5为Si片上表面Pt/Ti双层金属上电极及引线制备工艺示意图；图6为Si片上表面硅刻蚀工艺示意图；图7为Si片下表面硅刻蚀工艺释放结构工艺示意图。具体实施例方式实施例下面结合附图和实施例对本专利技术做详细说明。如图1所示，一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器，包括由衬底形成的“T”形截面悬臂梁和两个PZT压电厚膜驱动层；两个压电厚膜驱动层位于“T”形截面悬臂梁的上表面并呈对称分布，其中PZT压电厚膜驱动层的厚度为2 μ m。具体制作步骤如下1)如图2所示，首先在双抛(100) Si片衬底上物理增强化学气相沉积(PECVD)工艺双面淀积2μπι的S^2阻挡层。经过光刻工艺，在Si基片背面形成光刻胶掩蔽图形，利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀SiA露出Si窗口，再刻蚀Si基片形成具有100 μ m厚硅膜的深槽。2)如图3所示，再利用溅射和剥离(lift-off)工艺在正面SW2阻挡层本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种压电厚膜驱动的横向ＭＥＭＳ微驱动器，其特征在于：包括由衬底形成的“Ｔ”形截面悬臂梁和两个ＰＺＴ压电厚膜驱动层；两个压电厚膜驱动层位于“Ｔ”形截面悬臂梁的上表面并呈对称分布，其中ＰＺＴ压电厚膜驱动层的厚度大于１μｍ。

【技术特征摘要】
1.一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器，其特征在于包括由衬底形成的“T”形截面悬臂梁和两个PZT压电厚膜驱动层；两个压电厚膜驱动层位于“T”形截面悬臂梁的上表面并呈对称分布，其中PZT压电厚膜驱动层的厚度大于1 μ m。2.如权利要求1所述的压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器的制作方法，其特征在于具体步骤如下1)在Si基片双面生长一层SiO2，并刻蚀背面SiO2形成方形刻蚀窗口；运用深硅干法刻蚀技术刻蚀Si基片背面窗口并达到所需深度，形成深槽；2)运用溶胶-凝胶法在图形化电极的Pt/Ti/Si02/Si基...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵全亮，何广平，谭晓兰，黄昔光，袁俊杰，曹茂盛，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：11