專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向mems微驅(qū)動(dòng)器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))微驅(qū)動(dòng)器及其制作方法，屬于智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS微驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)方式一般可以分為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或兩者的綜合三種。對(duì)于平動(dòng)方式，又可以分為面外垂直(即垂直于襯底平面方向)運(yùn)動(dòng)和面內(nèi)水平(即平行于襯底平面方向)橫向運(yùn)動(dòng)。橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器即是一種能夠在面內(nèi)產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)的微型驅(qū)動(dòng)器， 與面外垂直運(yùn)動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)器相比，具有面內(nèi)范圍限制小、擴(kuò)展性強(qiáng)、易于單片集成等優(yōu)點(diǎn)， 能夠廣泛應(yīng)用于微納操縱、微納機(jī)械運(yùn)動(dòng)行走、電磁信號(hào)/微納流體的開(kāi)關(guān)/截止閥、振動(dòng)式傳感器等需要換能、致動(dòng)的MEMS系統(tǒng)中，遍及信息通訊、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等軍民兩用高科技領(lǐng)域。目前橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器主要采用靜電、電熱、電磁和壓電四種驅(qū)動(dòng)方式。與前三種驅(qū)動(dòng)方式相比，壓電驅(qū)動(dòng)式具有輸出力/位移大，響應(yīng)速度快，工作頻率高、控制精度好等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為在高性能驅(qū)動(dòng)器和傳感器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于壓電式驅(qū)動(dòng)器通常采用帶有壓電薄膜層和結(jié)構(gòu)層的多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層受力來(lái)源于壓電薄膜層與結(jié)構(gòu)層之間的界面作用力，易于產(chǎn)生面外垂直運(yùn)動(dòng)而很難直接實(shí)現(xiàn)面內(nèi)水平橫向運(yùn)動(dòng)。因此，壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器一般需要復(fù)雜的額外運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將面外垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為面內(nèi)水平橫向運(yùn)動(dòng)。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)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藝設(shè)計(jì)并制作了一種壓電薄膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器，壓電薄膜為溶膠-凝膠法制備的400nm厚鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜，該驅(qū)動(dòng)器采用具有運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用的杠桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫向驅(qū)動(dòng)。美國(guó)密歇根大學(xué)Oldham等人(Oldham等人，Thin-film PZT lateralactuators with extended stroke. J ournal ot Microelectromechanical Systems. 2008，17 (4) :890-899.)采用溶膠_凝膠法制備的800nm厚PZT薄膜作為壓電驅(qū)動(dòng)材料，并利用硅基表面加工工藝制作了具有鏤空梁結(jié)構(gòu)的壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)懸臂梁的固定端和自由端的壓電薄膜產(chǎn)生拉伸運(yùn)動(dòng)。由上可以看出，目前已有的壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器都是借助于杠桿或鏤空梁等結(jié)構(gòu)將面外垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為面內(nèi)水平橫向運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。同時(shí)，受到壓電多層結(jié)構(gòu)和加工工藝的限制，壓電材料與硅基襯底總是存在界面匹配問(wèn)題，界面層之間會(huì)產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，加之它們的加工工藝采用表面加工工藝，懸浮結(jié)構(gòu)更加難以實(shí)現(xiàn)安全可靠釋放。通常傳統(tǒng)壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器均采用PZT壓電薄膜(不超過(guò)1 μ m)以減小殘余應(yīng)力影響并提高器件制作的可靠性，但薄膜壓電性能明顯低于PZT壓電厚膜(厚度大于1 μ m)，這樣就降低了橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的性能。綜上所述，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與制作高性能和高可靠性的壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的要求，需要設(shè)計(jì)并制作新型結(jié)構(gòu)的壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器以解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大、 驅(qū)動(dòng)性能低的問(wèn)題，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)并制作高性能和高可靠性壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的要求， 從而提供一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器及其制作方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器，包括由襯底形成的“T”形截面懸臂梁和兩個(gè)PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層；兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層位于“T”形截面懸臂梁的上表面并呈對(duì)稱(chēng)分布，其中PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層的厚度大于1 μ m。本發(fā)明的壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的制作方法，具體步驟如下1)在Si基片雙面生長(zhǎng)一層SiO2，并刻蝕背面SiO2形成方形刻蝕窗口 ；運(yùn)用深硅干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片背面窗口并達(dá)到所需深度，形成深槽；2)運(yùn)用溶膠-凝膠法在圖形化電極的Pt/Ti/Si02/Si基片正面制備厚度大于2μπι 的PZT壓電厚膜，經(jīng)過(guò)PZT厚膜的濕法刻蝕技術(shù)形成兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層結(jié)構(gòu)圖形；3)利用濺射和剝離工藝在PZT壓電厚膜表面制作Pt/Ti雙層金屬上電極及引線；4)利用干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片正面，刻蝕深度即為壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)層厚度；5)利用光刻工藝，在Si基片背面深槽中形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)刻蝕窗口，窗口之間距離即為“T”形截面懸臂梁垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)的寬度；運(yùn)用深硅干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片背面兩個(gè)窗口并與正面深槽穿通完成懸浮結(jié)構(gòu)釋放，最終形成壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的“T”形截面懸臂梁式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明的壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的“T”形截面懸臂梁式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的工作原理主要是基于逆壓電效應(yīng)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)壓電厚膜施加相位相反的驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)懸臂梁長(zhǎng)度的拉伸或收縮。由于體積的不變性和襯底垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)及懸臂梁固定端的限制，長(zhǎng)度的拉伸或收縮將會(huì)導(dǎo)致懸臂梁寬度方向的收縮或拉伸，即實(shí)現(xiàn)了水平方向的橫向運(yùn)動(dòng)。此外，當(dāng)此橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器工作在特定的諧振模態(tài)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)。在加工工藝方面，該驅(qū)動(dòng)器采用體硅加工工藝，其基底垂直薄壁結(jié)構(gòu)可有效抑制壓電多層結(jié)構(gòu)的界面殘余應(yīng)力， 有利于高壓電性能PZT厚膜的集成，提高器件的驅(qū)動(dòng)性能和懸浮結(jié)構(gòu)釋放的可靠性。有益效果與現(xiàn)有的壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)額外運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，易于高壓電性能PZT厚膜的集成；②采用體硅加工工藝制作，結(jié)構(gòu)釋放難度小，制作可靠性高；③壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的所有制作工藝與MEMS工藝兼容，具有集成化、批量化制造的潛力，可廣泛用于微納操縱、微納機(jī)械運(yùn)動(dòng)行走、電磁信號(hào)/微納流體的開(kāi)關(guān)/截止閥、振動(dòng)式傳感器等領(lǐng)域。


圖1為壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為Si片下表面深硅刻蝕工藝示意圖；圖3為Si片上表面Pt/Ti雙層金屬下電極制備工藝示意圖4為Si片上表面PZT厚膜驅(qū)動(dòng)層制備工藝示意圖；圖5為Si片上表面Pt/Ti雙層金屬上電極及引線制備工藝示意圖；圖6為Si片上表面硅刻蝕工藝示意圖；圖7為Si片下表面硅刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)工藝示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器，包括由襯底形成的“T”形截面懸臂梁和兩個(gè)PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層；兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層位于“T”形截面懸臂梁的上表面并呈對(duì)稱(chēng)分布，其中PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層的厚度為2 μ m。具體制作步驟如下1)如圖2所示，首先在雙拋(100) Si片襯底上物理增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝雙面淀積2μπι的S^2阻擋層。經(jīng)過(guò)光刻工藝，在Si基片背面形成光刻膠掩蔽圖形，利用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕SiA露出Si窗口，再刻蝕Si基片形成具有100 μ m厚硅膜的深槽。2)如圖3所示，再利用濺射和剝離(lift-off)工藝在正面SW2阻擋層上制作出具有圖案化的Pt/Ti雙層金屬下電極，Pt和Ti金屬薄膜的厚度分別為ieonm和20nm?；萌鐖D4所示，根據(jù)溶膠-凝膠法制備出PZT溶膠，在硅基襯底上以3000rpm/min 的轉(zhuǎn)速旋涂PZT溶膠Imin，450°C下熱解30min，多次重復(fù)上述工藝，在700°C下退火5min制得PZT厚膜。PZT厚膜的厚度為2 μ m。經(jīng)過(guò)光刻工藝在PZT厚膜表面形成圖案化的光刻膠掩蔽膜，將基片放入鹽酸和氫氟酸為主的混合酸溶液中攪拌腐蝕8min，完成PZT厚膜的圖形化工藝。4)如圖5所示，運(yùn)用濺射和剝離工藝在PZT厚膜表面制作Pt/Ti雙層金屬上電極及引線，其中Pt/Ti的厚度分別為300nm和50nm。5)如圖6所示，經(jīng)過(guò)光刻工藝，在正面形成光刻膠掩蔽圖形，利用ICP干法刻蝕 SiO2露出Si窗口，再刻蝕Si基片形成10 μ m深的凹槽。6)如圖7所示，經(jīng)過(guò)光刻工藝，在背面形成兩個(gè)光刻膠掩蔽圖形窗口，利用ICP干法刻蝕Si基片直到穿通，釋放懸臂梁，最終形成壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的“T”形截面懸臂梁式橫向 MEMS微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的壓電厚膜驅(qū)動(dòng)“T”形截面懸臂梁式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器工作原理主要是基于逆壓電效應(yīng)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)壓電厚膜施加驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)懸臂梁水平方向的橫向運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，當(dāng)兩個(gè)壓電厚膜的驅(qū)動(dòng)電壓相位相反時(shí)，懸臂梁就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度方向的拉伸或收縮，由于體積的不變性和襯底垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)及懸臂梁固定端的限制，長(zhǎng)度的拉伸或收縮將會(huì)導(dǎo)致懸臂梁寬度方向的收縮或拉伸，即實(shí)現(xiàn)了水平方向的橫向運(yùn)動(dòng)。在加工工藝方面， 該驅(qū)動(dòng)器采用體硅加工工藝，其基底垂直薄壁結(jié)構(gòu)可有效抑制壓電多層結(jié)構(gòu)的界面殘余應(yīng)力，有利于高壓電性能PZT厚膜的集成，提高器件的驅(qū)動(dòng)性能和懸浮結(jié)構(gòu)釋放的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于包括由襯底形成的“T”形截面懸臂梁和兩個(gè)PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層；兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層位于“T”形截面懸臂梁的上表面并呈對(duì)稱(chēng)分布，其中PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層的厚度大于1 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于具體步驟如下1)在Si基片雙面生長(zhǎng)一層SiO2，并刻蝕背面SiO2形成方形刻蝕窗口；運(yùn)用深硅干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片背面窗口并達(dá)到所需深度，形成深槽；2)運(yùn)用溶膠-凝膠法在圖形化電極的Pt/Ti/Si02/Si基片正面制備厚度大于2μ m的 PZT壓電厚膜，經(jīng)過(guò)PZT厚膜的濕法刻蝕技術(shù)形成兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層結(jié)構(gòu)圖形；3)利用濺射和剝離工藝在PZT壓電厚膜表面制作Pt/Ti雙層金屬上電極及引線；4)利用干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片正面，刻蝕深度即為壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)層厚度；5)利用光刻工藝，在Si基片背面深槽中形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)刻蝕窗口，窗口之間距離即為 “T”形截面懸臂梁垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)的寬度；運(yùn)用深硅干法刻蝕技術(shù)刻蝕Si基片背面兩個(gè)窗口并與正面深槽穿通完成懸浮結(jié)構(gòu)釋放，最終形成壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的“T”形截面懸臂梁式橫向 MEMS微驅(qū)動(dòng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電厚膜驅(qū)動(dòng)的橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器及其制作方法，屬于智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。該微驅(qū)動(dòng)器包括由襯底形成的“T”形截面懸臂梁和兩個(gè)PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層；兩個(gè)壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層位于“T”形截面懸臂梁的上表面并呈對(duì)稱(chēng)分布，其中PZT壓電厚膜驅(qū)動(dòng)層的厚度大于1μm。本發(fā)明的微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)額外運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，易于高壓電性能PZT厚膜的集成；采用體硅加工工藝制作，結(jié)構(gòu)釋放難度小，制作可靠性高；壓電式橫向MEMS微驅(qū)動(dòng)器的所有制作工藝與MEMS工藝兼容，具有集成化、批量化制造的潛力，可廣泛用于微納操縱、微納機(jī)械運(yùn)動(dòng)行走、電磁信號(hào)/微納流體的開(kāi)關(guān)/截止閥、振動(dòng)式傳感器等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L41/09GK102176506SQ20111008319
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者何廣平, 曹茂盛, 袁俊杰, 譚曉蘭, 趙全亮, 黃昔光 申請(qǐng)人:北方工業(yè)大學(xué)