CN101814575A - 微机电系统压电双晶片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS技术领域的微机电系统压电双晶片的制备方法，包括：使用微加工工艺制备压电双晶片基片；在已制备的基片上、下表面，使用提拉法制备PZT薄膜；在已制备的压电双晶片上下两面镀金或银电极；使用激光修整压电双晶片；极化上下两层压电薄膜。本发明制备MEMS压电双晶片的方法，具有制备简单、成本低，并集成MEMS制造工艺等特点，有利于MEMS压电器件的制作及应用。

Description

微机电系统压电双晶片的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)技术领域的制备方法，具体是一种微机电系统压电双晶片的制备方法。
背景技术
压电双晶片是一种应用很广的压电元件，已广泛应用于声学检测、超声马达、滤波器、加速度器、激光束偏转器、自适应光学系统、光学斩波器及生物、化学传感器等方面。近年来，随着微机电系统的发展，越来越多地利用压电双晶片作为微执行器件、微传感器，并广泛用于MEMS压电能量采集器中。研究这种实用元件的制备方法，对使用者进行应用设计具有实际意义。
目前，常用的压电双晶片结构是将两片压电片直接通过粘贴的方法粘在金属层的上下两表面，这种方法制备的压电双晶片，其厚度较厚，不适合应用于受器件厚度限制的MEMS器件中，如采集低频环境振动的MEMS压电能量采集器。
经对现有技术文献的检索发现，杜立群、吕岩等在《压电与声光》29(2007)331-334撰文“水热法制备压电双晶片的研究”。该文中提及采用水热合成法在金属基板上制备压电双晶片，该方法制备的压电双晶片厚度可以控制在MEMS器件所要求的厚度范围内。但使用该方法制备压电双晶片，需要高温高压的反应釜设备，且制备过程要经过多次结晶过程，制备的压电双晶片性能稳定性差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种微机电系统压电双晶片的制备方法，能够根据需要集成MEMS工艺，制备不同形状的MEMS压电双晶片。
本发明是通过以下技术方案实现的：首先利用MEMS制造工艺制作压电双晶片的基片，基片可根据实际需要，制作成不同形状，基片材料一般是金属，然后通过提拉法在基片上、下两表面分别形成钙钛矿状的压电薄膜，薄膜厚度可以通过提拉的次数来控制，接着给压电薄膜上电极，使用激光对压电双晶片进行修整，最后极化，即可得到不同形状和用途的微压电双晶片。
本发明包括以下步骤：
第一步、使用微加工工艺制备压电双晶片基片。
所述的微加工工艺包括光刻、显影、溅射、电镀等；
所述的压电双晶片基片材料厚度为10～20μm的金属片。
所述的所述的金属片为铜、镍、铝和铁镍合金的一种。
第二步、在已制备的基片上、下表面，使用提拉法制备PZT薄膜。
所述提拉法制备锆钛酸铅(PZT)薄膜，其提拉速度为5～10mm/min，提一次膜后立即在100～150℃温度大气环境下烘10～15min，再空冷至室温，根据需要制备不同的PZT薄膜厚度选择提拉次数，最后在500～700℃退火2h，制备的PZT薄膜厚度为5～25μm。
第三步、在已制备的压电双晶片上下两面镀金或银电极。
第四步、使用激光修整压电双晶片。
所述激光修整压电双晶片，是指将基片上侧面边沿部分生成的PZT薄膜去除。
第五步，极化上下两层压电薄膜。
所述压电双晶片电极极化，是沿厚度方向，并且上下两层压电薄膜极化方向相反。
本发明制备MEMS压电双晶片的方法，相对于其他的制备方法，具有制备简单、成本低，并集成MEMS制造工艺等特点，有利于MEMS压电器件的制作及应用。
附图说明
图1为实施例1示意图。
图2为实施例2示意图。
图3为实施例3示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例是由多个压电双晶片组成的悬臂梁阵列，每个压电双晶片包括压电薄膜1和3、金属基片2，其中：金属基片2上下表面包覆压电薄膜1和3。
所述的金属基片为铜片，厚度为10μm；所述的压电薄膜1和3为PZT薄膜，厚度均为10μm；所述的金属基片为多个T字型形状，压电薄膜形状为矩形。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，并在衬底表面溅射一层Cr/Cu金属层作为电镀种子层，厚度为约为0.15μm；
第二步、在金属种子层表面以2000转/分钟的速度AZ4903光刻胶30秒，然后进行曝光，并采用AZ-400K显影液显影180秒去除曝光区域光刻胶，得到多个T字型形状的空腔；
所述曝光掩膜板为多个T字型形状结构。
第三步、对曝光后形成的多个T字型形状的空腔电镀Cu，厚度为10μm；
第四步、用去Cr刻蚀液并将多个T字型形状的铜片基片从硅片衬底上剥离出来；
第五步、在已制备的基片上不同长度的悬臂梁阵列上下表面，使用提拉法制备PZT薄膜；
所述提拉法制备PZT薄膜，其提拉速度为5mm/min，提一次膜后立即在100℃温度大气环境下烘15min，再空冷至室温，接着进行下一次提拉，共7次，最后在600℃退火2h，制备的PZT薄膜厚度为10μm。
第六步、使用激光修整压电双晶片；
所述激光修整压电双晶片，是指将基片上侧面边沿部分生成的PZT薄膜去除。
第七步、在已制备的压电双晶片悬臂梁阵列的上下两面镀上银电极，沿压电薄膜厚度方向极化，且上下两层压电薄膜极化方向相反。
实施例二
如图2所示，本实施例是由多个压电双晶片组成的悬臂梁阵列，每个压电双晶片包括压电薄膜1和3、金属基片2，其中：金属基片2上下表面包覆压电薄膜1和3。
所述的金属基片为铜片，厚度为10μm；所述的压电薄膜1和3为PZT薄膜，厚度均为10μm；所述的金属基片为多个梯形锯齿形状，压电薄膜形状为梯形。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，并在衬底表面溅射一层Cr/Cu金属层作为电镀种子层，厚度为约为0.15μm；
第二步、在金属种子层表面以2000转/分钟的速度AZ4903光刻胶30秒，然后进行曝光，并采用AZ-400K显影液显影150秒去除曝光区域光刻胶，得到多个梯形锯齿形状的空腔；
所述曝光掩膜板为多个梯形锯齿形状结构。
第三步、对曝光后形成的多个梯形锯齿形状的空腔电镀Cu，厚度为10μm；
第四步、用去Cr刻蚀液并将多个T字型形状的铜片基片从硅片衬底上剥离出来；
第五步、在已制备的基片上不同长度的悬臂梁阵列上下表面，使用提拉法制备PZT薄膜；
所述提拉法制备PZT薄膜，其提拉速度为5mm/min，提一次膜后立即在100℃温度大气环境下烘15min，再空冷至室温，接着进行下一次提拉，共7次，最后在600℃退火2h，制备的PZT薄膜厚度为10μm。
第六步、使用激光修整压电双晶片；
所述激光修整压电双晶片，是指将基片上侧面边沿部分生成的PZT薄膜去除。
第七步、在已制备的压电双晶片悬臂梁阵列的上下两面镀上银电极，沿压电薄膜厚度方向极化，且上下两层压电薄膜极化方向相反。
实施例三
如图3所示，本实施例是由多个压电双晶片组成的悬臂梁阵列，每个压电双晶片包括压电薄膜1和3、金属基片2，其中：金属基片2上下表面包覆压电薄膜1和3。
所述的金属基片为铜片，厚度为10μm；所述的压电薄膜1和3为PZT薄膜，厚度均为10μm；所述的金属基片为多个倒梯形锯齿形状，压电薄膜形状为倒梯形。
本实施例通过以下步骤进行制备：
第一步、清洗硅片衬底，并在衬底表面溅射一层Cr/Cu金属层作为电镀种子层，厚度为约为0.15μm；
第二步、在金属种子层表面以2000转/分钟的速度AZ4903光刻胶30秒，然后进行曝光，并采用AZ-400K显影液显影150秒去除曝光区域光刻胶，得到多个倒梯形锯齿形状的空腔；
所述曝光掩膜板为多个倒梯形锯齿形状结构。
第三步、对曝光后形成的多个倒梯形锯齿形状的空腔电镀Cu，厚度为10μm；
第四步、用去Cr刻蚀液并将多个T字型形状的铜片基片从硅片衬底上剥离出来；
第五步、在已制备的基片上不同长度的悬臂梁阵列上下表面，使用提拉法制备PZT薄膜；
所述提拉法制备PZT薄膜，其提拉速度为5mm/min，提一次膜后立即在100℃温度大气环境下烘15min，再空冷至室温，接着进行下一次提拉，共7次，最后在600℃退火2h，制备的PZT薄膜厚度为10μm。
第六步、使用激光修整压电双晶片；
所述激光修整压电双晶片，是指将基片上侧面边沿部分生成的PZT薄膜去除。
第七步、在已制备的压电双晶片悬臂梁阵列的上下两面镀上银电极，沿压电薄膜厚度方向极化，且上下两层压电薄膜极化方向相反。
上述实施例制备的压电双晶片，具有PZT层金属层-PZT层的三层结构，其制备工艺与MEMS工艺相兼容，可以制备不同形状和尺寸的MEMS压电双晶片，能够广泛应用于制作压电执行器、传感器等。

Claims (10)

1.一种微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
第一步、使用微加工工艺制备压电双晶片基片；
第二步、在已制备的基片上、下表面，使用提拉法制备PZT薄膜；
第三步、在已制备的压电双晶片上下两面镀金或银电极；
第四步、使用激光修整压电双晶片；
第五步，极化上下两层压电薄膜。
2.根据权利要求1所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的压电双晶片基片材料厚度为10～20μm的金属片。
3.根据权利要求2所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的金属片为铜、镍、铝和铁镍合金的一种。
4.根据权利要求1所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述提拉法制备PZT薄膜，其提拉速度为5～10mm/min。
5.根据权利要求1或4所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的提拉法制备PZT薄膜，其提拉速度为5mm/min。
6.根据权利要求5所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的提拉法制备PZT薄膜，每次提拉后烘干温度为100～150℃，时间为10～15min。
7.根据权利要求6所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的提拉法制备PZT薄膜，是通过控制提拉的次数，制备5～25μm厚度的PZT薄膜。
8.根据权利要求5或6所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述的提拉法制备PZT薄膜，提拉完成后，将片子在500～700℃退火2h。
9.根据权利1所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述激光修整压电双晶片，是指将基片上侧面边沿部分生成的PZT薄膜去除。
10.根据权利1所述的微机电系统压电双晶片的制备方法，其特征是，所述压电双晶片电极极化，是沿厚度方向，并且上下两层压电薄膜极化方向相反。
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