[发明专利]一种压电厚膜驱动的横向MEMS微驱动器及其制作方法

说明书

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-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；