CN112769350A - 一种直线型压电膜微驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直线型压电膜微驱动器，通过薄膜沉积工艺在基底正表面依次沉积下电极、压电膜材料和上电极形成多层结构；利用刻蚀工艺对多层结构中的上电极、压电膜材料层和下电极进行光刻及图形化，形成多根形状、尺寸相同的条形驱动单元；每根条形驱动单元均具备上电极、压电膜材料层和下电极；采用深刻蚀工艺对基底背部加深槽反应离子刻蚀和/或湿法腐蚀，将基底的厚度减薄至预设厚度以下，制备出背部腔体以及形成驱动振膜，获得直线型压电膜微驱动器。本发明能有效降低器件整体厚度，可以与标准MEMS产线完全兼容，具备批量化生产能力，并且能解决压电直线型电机的小型化、薄型化和批量化问题。
Description
技术领域
本发明涉及微驱动器技术领域，特别是涉及一种直线型压电双层微驱动器。
背景技术
压电直线型驱动器是一类致动装置，可以为负载(滑块等)提供水平方向 的摩擦推力，使负载实现平移运动。压电直线型驱动器具有较高的位移精度和 较短的响应时间，加之它具备良好的电磁兼容能力，因此在电子学领域具有巨 大应用潜力。
目前常见的压电直线型驱动器采用压电陶瓷块作为压电致动材料，根据器 件工作模态，在特定位置设计上下电极，利用压电材料的逆压电效应实现不同 形式的位移形变，并使与之接触的负载沿直线方向运动。
现有的压电直线型驱动器基于压电陶瓷制备，压电陶瓷一般具有几十毫米 的厚度，要制备驱动器需要通过研磨、抛光等方式将材料的厚度减薄至百微米 到毫米量级。同时由于驱动器工作时致动结构本身位移较小，一般需要额外的 位移放大机构。因此常见的陶瓷型压电直线型驱动器很难实现小型化、薄型化。 此外，陶瓷压电直线驱动器一般通过贴装等方式进行电极制备及机械结构组装， 这类非标准生产工艺很难实现批量化，成本较高且器件一致性控制难度较大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种直线型压电膜 微驱动器，用于解决目前直线型电机的小型化、薄型化和批量化问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直线型压电膜微驱动器， 包括有：基底、下电极、压电膜材料和上电极；
通过薄膜沉积工艺在基底正表面依次沉积下电极、压电膜材料和上电极形 成多层结构；
利用刻蚀工艺对所述多层结构中的上电极、压电膜材料层和下电极进行光 刻及图形化，形成多根形状、尺寸相同的条形驱动单元；每根条形驱动单元均 具备上电极、压电膜材料层和下电极；
采用深刻蚀工艺对基底背部加深槽反应离子刻蚀和/或湿法腐蚀，将基底的 厚度减薄至预设厚度以下，制备出背部腔体以及形成驱动振膜，获得直线型压 电膜微驱动器；其中，基底背部为基底正表面的相对面；所述驱动振膜由上至 下的结构依次为：上电极、压电膜材料层、下电极和厚度在预设厚度以下的基 底。
可选地，所述上电极上还设置有滑块；
对驱动单元进行独立加电，在所述驱动振膜表面激发出两列频率相同、传 播方向相同且相位相差90°的驻波，使两列驻波通过波形叠加在所述驱动振膜 表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
可选地，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号，并对每路信号中需加 电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两 组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加相位差为180°的正弦波，在上电极激 发出一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加相位差为180°正弦波，在下电极激发 出一组驻波；其中，所述上电极中至少一路信号与下电极中至少一路信号的正 弦波相位差为90°或270°；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
可选地，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号，并对每路信号中需加 电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两 组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在上电极激发出 一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在下电极激发出 一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
可选地，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号，并对每路信号中需加 电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两 组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在上电极激发出 一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在下电极激发出 一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
可选地，所述上电极驻波的波长与对应的每组驱动单元个数成正比；所述 下电极驻波的波长与所述上电极驻波的波长相等。
可选地，通过单独改变上电极或下电极中驱动信号的符号，改变所述行波 的传播方向。
可选地，所述行波沿微驱动器的长边做直线运动。
可选地，所述预设厚度为100um。
可选地，所述基底为Si基底或SOI晶片。
如上所述，本发明提供一种直线型压电膜微驱动器，具有以下有益效果： 通过薄膜沉积工艺在基底正表面依次沉积下电极、压电膜材料和上电极形成多 层结构；利用刻蚀工艺对多层结构中的上电极、压电膜材料层和下电极进行光 刻及图形化，形成多根形状、尺寸相同的条形驱动单元；每根条形驱动单元均 具备上电极、压电膜材料层和下电极；采用深刻蚀工艺对基底背部加深槽反应 离子刻蚀和/或湿法腐蚀，将基底的厚度减薄至预设厚度以下，制备出背部腔体 以及形成驱动振膜，获得直线型压电膜微驱动器；其中，基底背部为基底正表 面的相对面；驱动振膜由上至下的结构依次为：上电极、压电膜材料层、下电极和厚度在预设厚度以下的基底。本发明现有技术中存在的问题，提出了一种 基于薄膜、厚膜压电材料的直线型驱动器结构，其压电致动材料厚度可控制在 百纳米至数微米范围，能有效降低器件整体厚度。此外，该器件制备工艺与标 准MEMS产线完全兼容，具备批量化生产能力。因此，本发明能解决压电直线 型电机的小型化、薄型化和批量化问题。本发明提出一种基于压电薄膜(或厚 膜)材料的直线型压电微驱动器结构，结构中压电材料及上下电极经图形化工 艺形成多组条状驱动单元，并通过对每组驱动单元的上下电极分区、分时供电， 在器件表面激发出行波，实现直线驱动能力；行波激发方式采用两列相位相差 90°的驻波叠加方式，可通过驱动信号控制行波传播方向。本发明中的直线型 压电微驱动器采用压电薄膜或厚膜材料作为致动材料，能有效将驱动器整体厚 度减小至μm量级，具备小型化、薄型化能力。同时，器件结构简单，制备工艺 与MEMS微加工工艺全兼容，能够很好地实现批量化制备，提高器件整体一致 性的同时降低了产品制备成本。此外，传统直线型电机供电电压通常＞100Vp， 而本发明可在低电压下工作(2-30Vp)，极大的降低了器件对驱动电路的要求， 使其具有更广泛的应用潜力。
附图说明
图1为包含压电膜材料的多层结构示意图；
图2为直线型压电微驱动器的俯视图；
图3为直线型压电微驱动器的剖面图；
图4为第一路上电极加电方式示意图；
图5为第二路上电极加电方式示意图；
图6为第一路下电极加电方式示意图；
图7为第二路下电极加电方式示意图；
图8为行波传播方向示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过 另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于 不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的 是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基 本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意 的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1至图8所示，本发明提供一种直线型压电膜微驱动器，包括有： 基底、下电极、压电膜材料和上电极；
通过薄膜沉积工艺在基底正表面依次沉积下电极、压电膜材料和上电极形 成多层结构；
利用刻蚀工艺对所述多层结构中的上电极、压电膜材料层和下电极进行光 刻及图形化，形成多根形状、尺寸相同的条形驱动单元；每根条形驱动单元均 具备上电极、压电膜材料层和下电极；
采用深刻蚀工艺对基底背部加深槽反应离子刻蚀和/或湿法腐蚀，将基底的 厚度减薄至预设厚度以下，制备出背部腔体以及形成驱动振膜，获得直线型压 电膜微驱动器；其中，基底背部为基底正表面的相对面；所述驱动振膜由上至 下的结构依次为：上电极、压电膜材料层、下电极和厚度在预设厚度以下的基 底。
在一示例性实施例中，所述上电极上还设置有滑块；对驱动单元进行独立 加电，在所述驱动振膜表面激发出两列频率相同、传播方向相同且相位相差90° 的驻波，使两列驻波通过波形叠加在所述驱动振膜表面形成直线传播的行波， 驱动所述滑块移动。
在一示例性实施例中，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号，并对每 路信号中需加电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个， 以及使相邻两组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加相位差为180°的正弦波，在上电极激 发出一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加相位差为180°正弦波，在下电极激发 出一组驻波；其中，所述上电极中至少一路信号与下电极中至少一路信号的正 弦波相位差为90°或270°；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
根据上述记载，作为一个示例，例如将所有驱动单元中的上电极分为两路 信号，并对每路信号中需加电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个 数为偶数个，以及使相邻两组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中 的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在上电极激发出 一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在下电极激发出 一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
根据上述记载，作为一个示例，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号， 并对每路信号中需加电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶 数个，以及使相邻两组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量 相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在上电极激发出 一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动 单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单 元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在下电极激发出 一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振 膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
具体地，本发明采用压电膜材料作为直线型微驱动器的压电致动材料。首 先通过薄膜沉积工艺，在SOI或Si基底表面依次沉积下电极、压电膜材料、上 电极，形成如图1所示的可用于后续加工的多层结构。
随后通过刻蚀工艺，分别将上电极、压电层及下电极进行光刻及图形化。 各层材料图形化工艺存在差异，其中上下电极图形化一般可以采用离子束等物 理刻蚀方式实现，而压电层材料除物理刻蚀法外，通常还可以根据压电材料类 型的不同，选择不同的反应物进行化学刻蚀。图形化完成后形成多根形状、尺 寸相同的条形驱动单元，每根驱动单元具备完整的上下电极及压电层，可独立 加电控制。最后，基片背部采用深刻蚀工艺如深槽反应离子刻蚀、湿法腐蚀等 方式，将基底厚度减薄至100um以下，制备出背部腔体，形成驱动振膜。其中， 振膜的主要结构由顶至低依次为顶电极、压电层、底电极和厚度较薄的基底结构层。器件的俯视基本结构如图2所示，器件的剖视基本结构如图3所示。
该压电直线型驱动器的工作机理是通过电信号激励的方式，在驱动振膜表 面激发出两列频率、传播方向相同且相位相差90°的驻波，两列驻波通过波形 叠加在驱动振膜表面形成沿直线传播的行波，从而驱动滑块移动。由于驱动器 中每根驱动单元的上下电极均可以独立控制，因此可以通过振膜上电极和振膜 下电极分别激发出两列相位相差90°的驻波。本申请给出了一种可用于行波激 发的加电方式示例。如图4和图5所示，所有驱动单元中的上电极共分为两路 信号，每路信号中所需加电的驱动单元分组排列，每组驱动单元个数为2个(或 2n个)，同时每组驱动单元之间间隔2个(或2n个)驱动单元。分别给两路信号电极施加cos和-cos(或sin和-sin)的正弦波信号，可以激发出一列驻波，其 中驻波波长与每组驱动单元个数成正比。
如图6和图7所示，与上电极类似，所有驱动单元中的下电极也分为两路 信号，每路信号中所需加电的驱动单元分组排列，每组驱动单元个数为2个(或 2n个)，同时每组驱动单元之间间隔2个(或2n个)驱动单元。分别给两路信 号电极施加sin和-sin(或cos和-cos)的正弦波信号，可以激发出另一列驻波， 该驻波与上电极所激发的驻波波长相等，相位刚好相差90°。根据波形叠加理 论，这两列驻波叠加后能够在振膜表面激发出行波。此外，可以通过单独改变 上电极或下电极中驱动信号的符号，改变行波传播方向。
根据上述流程所激发出的行波波形如图8所示。图中为某一时刻直线型驱 动器表面行波波形，随时间推移，波峰沿器件长边做直线运动。
本发明现有技术中存在的问题，提出了一种基于薄膜、厚膜压电材料的直 线型驱动器结构，其压电致动材料厚度可控制在百纳米至数微米范围，能有效 降低器件整体厚度。此外，该器件制备工艺与标准MEMS产线完全兼容，具备 批量化生产能力。因此，本发明能解决压电直线型电机的小型化、薄型化和批 量化问题。本发明提出一种基于压电薄膜(或厚膜)材料的直线型压电微驱动 器结构，结构中压电材料及上下电极经图形化工艺形成多组条状驱动单元，并 通过对每组驱动单元的上下电极分区、分时供电，在器件表面激发出行波，实 现直线驱动能力；行波激发方式采用两列相位相差90°的驻波叠加方式，可通过驱动信号控制行波传播方向。本发明中的直线型压电微驱动器采用压电薄膜 或厚膜材料作为致动材料，能有效将驱动器整体厚度减小至μm量级，具备小型 化、薄型化能力。同时，器件结构简单，制备工艺与MEMS微加工工艺全兼容， 能够很好地实现批量化制备，提高器件整体一致性的同时降低了产品制备成本。 此外，传统直线型电机供电电压通常＞100Vp，而本发明可在低电压下工作 (2-30Vp)，极大的降低了器件对驱动电路的要求，使其具有更广泛的应用潜 力。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。 任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进 行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所 揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利 要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种直线型压电膜微驱动器，其特征在于，包括有：基底、下电极、压电膜材料和上电极；
通过薄膜沉积工艺在基底正表面依次沉积下电极、压电膜材料和上电极形成多层结构；
利用刻蚀工艺对所述多层结构中的上电极、压电膜材料层和下电极进行光刻及图形化，形成多根形状、尺寸相同的条形驱动单元；每根条形驱动单元均具备上电极、压电膜材料层和下电极；
采用深刻蚀工艺对基底背部加深槽反应离子刻蚀和/或湿法腐蚀，将基底的厚度减薄至预设厚度以下，制备出背部腔体以及形成驱动振膜，获得直线型压电膜微驱动器；其中，基底背部为基底正表面的相对面；所述驱动振膜由上至下的结构依次为：上电极、压电膜材料层、下电极和厚度在预设厚度以下的基底。
2.根据权利要求1所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，所述上电极上还设置有滑块；
对驱动单元进行独立加电，在所述驱动振膜表面激发出两列频率相同、传播方向相同且相位相差90°的驻波，使两列驻波通过波形叠加在所述驱动振膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
3.根据权利要求2所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，将所有驱动单元中的上电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对上电极的两路信号的电极施加相位差为180°的正弦波，在上电极激发出一组驻波；
将所有驱动单元中的下电极分为两路信号，并对每路信号中需加电的驱动单元进行分组排列，使每组驱动单元的个数为偶数个，以及使相邻两组驱动单元间隔的驱动单元数量与每组驱动单元中的数量相同；
分别对下电极的两路信号的电极施加相位差为180°正弦波，在下电极激发出一组驻波；其中，所述上电极中至少一路信号与下电极中至少一路信号的正弦波相位差为90°或270°；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
4.根据权利要求3所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，包括：分别对上电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在上电极激发出一组驻波；
以及分别对下电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在下电极激发出一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
5.根据权利要求3所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，包括：分别对上电极的两路信号的电极施加sin和-sin的正弦波，在上电极激发出一组驻波；
以及分别对下电极的两路信号的电极施加cos和-cos的正弦波，在下电极激发出一组驻波；
所述上电极激发驻波和所述下电极激发驻波完成波形叠加后在所述驱动振膜表面形成直线传播的行波，驱动所述滑块移动。
6.根据权利要求3至5中任一所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，所述上电极驻波的波长与对应的每组驱动单元个数成正比；所述下电极驻波的波长与所述上电极驻波的波长相等。
7.根据权利要求3至5中任一所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，通过单独改变上电极或下电极中驱动信号的符号，改变所述行波的传播方向。
8.根据权利要求2至5中任一所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，所述行波沿微驱动器的长边做直线运动。
9.根据权利要求1所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，所述预设厚度为100um。
10.根据权利要求1所述的直线型压电膜微驱动器，其特征在于，所述基底为Si基底或SOI晶片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011349260.1A CN112769350A (zh) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 一种直线型压电膜微驱动器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011349260.1A CN112769350A (zh) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 一种直线型压电膜微驱动器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112769350A true CN112769350A (zh) | 2021-05-07 |
Family
ID=75693137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011349260.1A Withdrawn CN112769350A (zh) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 一种直线型压电膜微驱动器 |
Country Status (1)
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2020
- 2020-11-26 CN CN202011349260.1A patent/CN112769350A/zh not_active Withdrawn
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