CN102176506B - 一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 - Google Patents
一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102176506B CN102176506B CN 201110083195 CN201110083195A CN102176506B CN 102176506 B CN102176506 B CN 102176506B CN 201110083195 CN201110083195 CN 201110083195 CN 201110083195 A CN201110083195 A CN 201110083195A CN 102176506 B CN102176506 B CN 102176506B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- micro
- etching
- pzt
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 20
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 12
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 23
- 239000010408 film Substances 0.000 description 14
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000002520 smart material Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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领域。
背景技术
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等人，Large-strain，piezoelectric，in-planemicroactuator.Micro Electro Mechanical Systems，2004.1 7th IEEE InternationalConference 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1μm)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1μm)，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。
发明内容
本发明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。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明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1μm。
本发明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/SiO2/Si基片正面制备厚度大于2μm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。
本发明的压电厚膜驱动的“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，本发明具有如下优点：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；
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。
具体实施方式
实施例
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
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2μm。
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2μm的SiO2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SiO2露出Si窗口，再刻蚀Si基片形成具有100μm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SiO2阻挡层上制作出具有图案化的Pt/Ti双层金属下电极，Pt和Ti金属薄膜的厚度分别为160nm和20nm。
3)如图4所示，根据溶胶-凝胶法制备出PZT溶胶，在硅基衬底上以3000rpm/min的转速旋涂PZT溶胶1min，450℃下热解30min，多次重复上述工艺，在700℃下退火5min制得PZT厚膜。PZT厚膜的厚度为2μm。经过光刻工艺在PZT厚膜表面形成图案化的光刻胶掩蔽膜，将基片放入盐酸和氢氟酸为主的混合酸溶液中搅拌腐蚀8min，完成PZT厚膜的图形化工艺。
4)如图5所示，运用溅射和剥离工艺在PZT厚膜表面制作Pt/Ti双层金属上电极及引线，其中Pt/Ti的厚度分别为300nm和50nm。
5)如图6所示，经过光刻工艺，在正面形成光刻胶掩蔽图形，利用ICP干法刻蚀SiO2露出Si窗口，再刻蚀Si基片形成10μm深的凹槽。
6)如图7所示，经过光刻工艺，在背面形成两个光刻胶掩蔽图形窗口，利用ICP干法刻蚀Si基片直到穿通，释放悬臂梁，最终形成压电厚膜驱动的“T”形截面悬臂梁式横向MEMS微驱动器结构。
本发明的压电厚膜驱动“T”形截面悬臂梁式横向MEMS微驱动器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驱动电压，实现悬臂梁水平方向的横向运动。如图1所示，当两个压电厚膜的驱动电压相位相反时，悬臂梁就会产生长度方向的拉伸或收缩，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。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。
Claims (1)
1.压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器的制作方法，所述的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1μm；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/SiO2/Si基片正面制备厚度大于2μm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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110083195 CN102176506B (zh) | 2011-04-02 | 2011-04-02 | 一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110083195 CN102176506B (zh) | 2011-04-02 | 2011-04-02 | 一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102176506A CN102176506A (zh) | 2011-09-07 |
| CN102176506B true CN102176506B (zh) | 2013-03-27 |
Family
ID=44519636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110083195 Expired - Fee Related CN102176506B (zh) | 2011-04-02 | 2011-04-02 | 一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102176506B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024063642A1 (en) | 2022-09-19 | 2024-03-28 | Microalign B.V. | Alignment arrangement for aligning a first and a second optical component as well as a corresponding system |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103234536B (zh) * | 2013-04-15 | 2017-02-08 | 北方工业大学 | 一种压电驱动三自由度扭转振动mems陀螺的设计方法 |
| CN105353166A (zh) * | 2015-11-24 | 2016-02-24 | 西安交通大学 | 低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN105540527A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-05-04 | 西安交通大学 | 微压电加速度传感器芯片及其制作方法 |
| CN109155359B (zh) * | 2016-05-19 | 2022-06-10 | 柯尼卡美能达株式会社 | 压电元件的制造方法 |
| CN111328005B (zh) * | 2020-03-10 | 2021-09-10 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 压电式mems麦克风 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1790581A (zh) * | 2004-12-13 | 2006-06-21 | 台达电子工业股份有限公司 | 微型切换器 |
-
2011
- 2011-04-02 CN CN 201110083195 patent/CN102176506B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1790581A (zh) * | 2004-12-13 | 2006-06-21 | 台达电子工业股份有限公司 | 微型切换器 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024063642A1 (en) | 2022-09-19 | 2024-03-28 | Microalign B.V. | Alignment arrangement for aligning a first and a second optical component as well as a corresponding system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102176506A (zh) | 2011-09-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102176506B (zh) | 一种压电厚膜驱动的横向mems微驱动器及其制作方法 | |
| Baek et al. | Giant piezoelectricity in PMN-PT thin films: Beyond PZT | |
| US7687977B2 (en) | Micromachined, piezoelectric vibration-induced energy harvesting device and its fabrication | |
| JP3521499B2 (ja) | 圧電／電歪膜型素子 | |
| US9190599B2 (en) | Process for fabricating an optimally-actuating piezoelectric membrane | |
| US7876026B2 (en) | Large force and displacement piezoelectric MEMS lateral actuation | |
| US9388041B2 (en) | MEMs-based cantilever energy harvester | |
| JP2011176038A (ja) | アクチュエータ及びアクチュエータ構造体、並びにアクチュエータの製造方法 | |
| TWI234819B (en) | Selective etch method for side wall protection and structure formed using the method | |
| Zhou et al. | Analysis and design of a self-powered piezoelectric microaccelerometer | |
| Nguyen et al. | Actuation of piezoelectric layered beams with $ d_ {31} $ and $ d_ {33} $ coupling | |
| CN209367796U (zh) | Mems设备和电子装置 | |
| CN102122935A (zh) | 一种具有亚微米间隙微机械谐振器及制作方法 | |
| US7944121B2 (en) | Negative vertical deflection piezoelectric MEMS actuators and method of fabrication | |
| Wang et al. | Fabrication and characterization of MEMS piezoelectric synthetic jet actuators with bulk-micromachined PZT thick film | |
| Yoshida et al. | Fabrication and characterization of laterally-driven piezoelectric bimorph MEMS actuator with sol–gel-based high-aspect-ratio PZT structure | |
| Xie et al. | Fabrication and characterization of piezoelectric cantilever for micro transducers | |
| CN104445043B (zh) | 一种mems微阀及其制作工艺 | |
| Bassiri-Gharb | Piezoelectric MEMS: Materials and devices | |
| Saharil et al. | Low-temperature CMOS-compatible 3D-integration of monocrystalline-silicon based PZT RF MEMS switch actuators on RF substrates | |
| Li et al. | Micromachined ultrasonic transducers based on lead zirconate titanate (PZT) films | |
| Yamashita et al. | Buckling control of silicon dioxide diaphragms for sensitivity enhancement of piezoelectric ultrasonic microsensors | |
| Kobayashi et al. | Linear actuation piezoelectric microcantilever using tetragonal composition PZT thin films | |
| Kobayash et al. | Enhanced perfomance of sensor/actuator integrated piezoelectric microcantilever by using tetragonal compositon PZT thin films | |
| Muralt | Pushing the Performance of Electro-Mechanical Thin Films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130327 Termination date: 20140402 |