CN108306548A - 一种行波微马达的驱动结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种行波微马达的驱动结构，包括环形支撑框和放置于环形支撑框内的圆环体，环形支撑框与圆环体通过若干个支撑梁连接；圆环体由上到下分别为第一电极层和基体，第一电极层包括若干个呈环形排列的扇环形电极，相邻两个扇环形电极间具有间隔，扇环形电极的外径小于基体的外径；基体的侧壁设置有若干个凹槽，凹槽的开口处位于扇环形电极的中线以及相邻两个扇环形电极的交界线上，支撑梁均匀分布于凹槽中。本发明行波微马达的驱动结构通过支撑梁和环形支撑框将驱动结构振动的能量限制在框能，支撑梁固定于行波微马达的节圆处，进一步避免了振动能量向外扩散，大幅度降低了能量的损耗，提高了驱动结构的Q值。
Description
技术领域
本发明涉及压电微马达技术领域，特别是涉及一种行波微马达的驱动结构。
背景技术
行波微马达是一类新型的微执行器元件，在MEMS领域具有巨大的应用潜力。目前常用的行波微马达按驱动材料种类，可以分为静电微马达、电磁微马达、压电微马达等。而其中又以压电微马达最具应用前景，得益于压电材料的逆压电性质，压电微马达能在10V以内的工作电压下实现较大的驱动能力。目前常见的压电微马达采用圆盘结构，通过在圆盘的不同扇环形面分时产生同频率的驻波，从而在圆盘表面激发出连续传递的行波。近几年兴起的基于压电薄膜的微马达，通过在盘状弹性支撑层上制备压电薄膜材料，随后利用图形化工艺得到多个扇环形电极，最终实现各个扇环形面的分时振动。
然而，现有的行波微马达的器件性能始终无法满足人们的预期，其主要原因有以下几点：首先，为提高行波微马达的输出，需要使其具有较小的刚度和较大的弹性模量，这就要求驱动结构与基底连接处较少、较薄，这无疑增大了驱动结构的制备难度，还会使得驱动结构容易断裂；其次，压电材料的性质一直是制约行波微马达发展的重要因素，受制于压电薄膜性能问题，压电行波微马达较多采用压电陶瓷作为功能材料，这使得器件的尺寸难以做小，严重影响微马达的集成；此外，行波微马达工作过程中，需要在驱动结构表面激起连续的行波，行波的传递意味着能量的传递，然而，受限于行波微马达的结构和工作方式，驱动结构部分产生的振动很容易以波的形式向周围扩散，最终通过基底耗散，这使得行波微马达的功耗普遍较大，品质因子-Q值较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种行波微马达的驱动结构，以解决上述现有技术存在的问题，降低行波微马达的功耗，提高行波微马达的输出。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种行波微马达的驱动结构，包括环形支撑框和放置于所述环形支撑框内的圆环体，所述环形支撑框与所述圆环体通过若干个支撑梁连接；所述圆环体由上到下分别为第一电极层和基体，所述第一电极层包括若干个呈环形排列的扇环形电极，相邻两个所述扇环形电极间具有间隔，所述扇环形电极的外径小于所述基体的外径；所述基体的侧壁设置有若干个凹槽，所述凹槽的开口处位于所述扇环形电极的中线以及相邻两个所述扇环形电极的交界线上，所述支撑梁均匀分布于所述凹槽中。
优选地，所述环形支撑框外侧还与行波微马达的基片相连。
优选地，所述基体由上到下分别为PZT薄膜、第二电极层和硅层。
优选地，所述支撑梁为6个，所述扇环形电极为12个，所述凹槽为24个。
优选地，所述支撑梁呈直线型或弯折型。
优选地，所述环形支撑框由上到下分别为PZT薄膜、第二电极层和硅层。
优选地，所述圆环体与所述环形支撑框的底部平齐。
优选地，所述环形支撑框的高度与所述基体的高度相等。
优选地，所述支撑梁一端连接在所述凹槽的开口处，另一端连接在所述环形支撑框上。
本发明行波微马达的驱动结构相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明行波微马达的驱动结构通过支撑梁和环形支撑框将驱动结构振动的能量限制在框能，阻挡振动能量的传递和耗散，支撑梁固定于行波微马达的节圆处，进一步避免了振动能量向外扩散，大幅度降低了能量的损耗，提高了驱动结构的Q值；采用支撑梁和环形支撑框的双过渡层结构，并将驱动圆面与外侧基片相连，有效降低了敏感部分的刚度，能够承受更大的面外位移，也因此降低了制备工艺难度，提高了器件结构的完整性和成品率；采用厚度大于1.5μm的高质量PZT薄膜，兼具了压电输出能力强和厚度小的优势，不仅保证了驱动结构的性能，还与薄膜化、微型化工艺相兼容，有利于行波微马达的集成应用；本发明行波微马达的驱动结构结构简单、输出能力强，机械柔性好，能够提供4.71μm/V的大位移且不易发生断裂；本发明行波微马达的驱动结构的完整性好，从而使成品率得到了保证，有效提高了制备效率，降低了制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明行波微马达的驱动结构的结构示意图；
图2为本发明行波微马达的驱动结构的截面图；
图3为本发明行波微马达的驱动结构的工作方式示意图；
图4位本发明行波微马达的驱动结构的位移-频率特性；
其中，1-扇环形电极，2-支撑梁，3-环形支撑框，4-凹槽，5-圆环体，6-PZT薄膜，7-第二电极层，8-硅层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种行波微马达的驱动结构，以解决现有技术存在的问题，降低行波微马达的功耗，提高行波微马达的输出。
本发明提供一种行波微马达的驱动结构，包括环形支撑框和放置于所述环形支撑框内的圆环体，所述环形支撑框与所述圆环体通过若干个支撑梁连接；所述圆环体由上到下分别为第一电极层和基体，所述第一电极层包括若干个呈环形排列的扇环形电极，相邻两个所述扇环形电极间具有间隔，所述扇环形电极的外径小于所述基体的外径；所述基体的侧壁设置有若干个凹槽，所述凹槽的开口处位于所述扇环形电极的中线以及相邻两个所述扇环形电极的交界线上，所述支撑梁均匀分布于所述凹槽中。
本发明行波微马达的驱动结构通过支撑梁和环形支撑框将驱动结构振动的能量限制在框能，阻挡振动能量的传递和耗散，支撑梁固定于行波微马达的节圆处，进一步避免了振动能量向外扩散，大幅度降低了能量的损耗，提高了驱动结构的Q值。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-2，本实施例行波微马达的驱动结构包括环形支撑框3和放置于环形支撑框3内的圆环体5。
圆环体5由上到下分别为第一电极层、PZT薄膜6、第二电极层7层和硅层8；其中第一电极层为12个呈环形排列的扇环形电极1，相邻两个扇环形电极1间具有间隔；PZT薄膜6、第二电极层7层和硅层8构成基体，基体的侧壁均匀设置有24个凹槽4，每个凹槽4均贯通PZT薄膜6、第二电极层7层和硅层8，凹槽4能够切断当行波在圆环体5边沿振动时引起的能量损耗，且扇环形电极1的外径小于基体的外径；24个凹槽4的开口处分别位于12个扇环形电极1的中线及相邻两个扇环形电极1的交界线上。
环形支撑框3由上到下分别为PZT薄膜6、第二电极层7层和硅层8，圆环体5与环形支撑框3的底部平齐，环形支撑框3的高度与基体的高度相等。
在本实施例中环形支撑框3与圆环体5通过6个均匀分布的支撑梁2连接，支撑梁2一端位于凹槽4开口处，另一端与环形支撑框3相连；支撑梁2与环形支撑框3构成双过渡层结构，环形支撑框3还与行波微马达的外侧基片相连，定子即圆环体5在振动时的能量会被支撑梁2和环形支撑框3限制在框能，阻挡振动能量的传递和耗散，支撑梁2固定于行波微马达的节圆即凹槽4的开口处，能够进一步避免振动能量向外扩散。
支撑梁2呈直线型或弯折型。
本实施例行波微马达的驱动结构在制作时首先在SOI基片上用磁控溅射法依次制备第二电极层7层、PZT薄膜6和第一电极层，第一电极层和第二电极层7层的厚度均在50纳米至500纳米之间，然后对第一电极层进行离子束刻蚀，实现扇环形电极1的制备及电极布线，随后对PZT薄膜6进行湿法腐蚀，去除图1中凹槽4及空隙部分的PZT薄膜6，随后进一步通过深反应离子刻蚀法刻蚀SOI基片的顶层硅，通过以上手段得到基本的行波器件结构后，为了提高行波微马达输出能力，需要进行结构释放工艺，即采用深反应离子刻蚀法刻蚀法将圆环底部的硅和二氧化硅去除。
如图3所示，本实施例行波微马达的驱动结构的具体工作过程为：将12个扇环形电极1分为四组，每组扇环形电极为3个，四组扇环形电极交错排列，采用四路不同的交流驱动信号同时对四组电极进行驱动，四路信号为频率相同、幅值相同但相位相差90°的依次正交的交流信号，频率为行波微马达的机械本征频率，利用这种加电方式，每个扇环形电极1扇面驱动的PZT材料因为逆压电效应而产生机械振荡，形成频率、相位与对应驱动信号相同的驻波，由于相邻扇环形区域的驻波相位刚好相差90°，因此在圆环体5表面激发出连续传递的行波，该行波能提供一定的转矩，即行波微马达的驱动力。
本实施例行波微马达的驱动结构的制备工艺简单，采用全集成MEMS加工工艺；柔性较好，不易发生断裂，因此得到的器件结构完整且一致性较好，成品率较高；该行波微马达具有B13谐振模态，起振后能够观察到行波在器件表面传播。如图4所示，本实施例行波微马达的驱动结构的固有频率为101.6kHz，在该频率点附近具有4.71μm/V的较大位移输出，同时该系统具有220的高Q值，表明该行波微马达在工作状态下能量耗散较小。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具存特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种行波微马达的驱动结构，其特征在于：包括环形支撑框和放置于所述环形支撑框内的圆环体，所述环形支撑框与所述圆环体通过若干个支撑梁连接；所述圆环体由上到下分别为第一电极层和基体，所述第一电极层包括若干个呈环形排列的扇环形电极，相邻两个所述扇环形电极间具有间隔，所述扇环形电极的外径小于所述基体的外径；所述基体的侧壁设置有若干个凹槽，所述凹槽的开口处位于所述扇环形电极的中线以及相邻两个所述扇环形电极的交界线上，若干个所述支撑梁均匀分布。
2.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述环形支撑框外侧还与行波微马达的基片相连。
3.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述基体由上到下分别为PZT薄膜、第二电极层和硅层。
4.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述支撑梁为6个，所述扇环形电极为12个，所述凹槽为24个。
5.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述支撑梁呈直线型或弯折型。
6.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述环形支撑框由上到下分别为PZT薄膜、第二电极层和硅层。
7.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述圆环体与所述环形支撑框的底部平齐。
8.根据权利要求7所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述环形支撑框的高度与所述基体的高度相等。
9.根据权利要求1所述的行波微马达的驱动结构，其特征在于：所述支撑梁一端连接在所述凹槽的开口处，另一端连接在所述环形支撑框上。
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