CN101069295A - 具有腔体和压电岛的微机电装置及形成具有压电换能器的装置的方法 - Google Patents

具有腔体和压电岛的微机电装置及形成具有压电换能器的装置的方法 Download PDF

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Abstract

描述了具有压电致动器(104)的结构的微机电***。多个压电岛由具有多个腔体(205)的主体(200)支撑。该压电岛部分地通过下述步骤形成：在临时结合到处理衬底的压电材料厚层内形成切口(145)，将该切割的压电层(107)附着到具有蚀刻特征的主体(200)，以及将该压电层研磨至小于切口(140)深度的厚度。导电材料(158、210)可以形成于压电层上以形成电极(106、112)。

Description

具有腔体和压电岛的微机电装置及形成具有压电换能器的装置的方法
技术领域
本发明涉及形成用于微机电装置的压电驱动器。
背景技术
在受到机械应力时，压电材料可以产生电或电极性。备选地，对压电材料施加电压可以导致逆压电性，即，压电材料在被施加电压时机械形变。逆压电性可以导致压电材料内极高的弯曲力。产生电和逆压电性这两个性能都被约束以用于电子和机械装置，例如诸如驱动器和传感器的换能器。包括驱动器和传感器的组合的多个换能器可以组合在一起成为微机电***(MEMS)。
MEMS通常具有使用常规半导体工艺技术形成于半导体衬底内的机械结构。MEMS可包括单个结构或多个结构。MEMS具有电学元件，其中电学信号激励各个电学元件，或者由MEMS各个结构内的驱动产生。
MEMS的一个实施包括主体，该主体内形成有腔体，以及形成于该主体外表面上的压电驱动器。压电驱动器具有一层压电材料，例如陶瓷，以及用于传输电压的元件，例如电极。压电驱动器的电极可以对压电材料施加电压，或者传输当压电材料变形时产生的电压。
具有压电驱动器的一种类型的MEMS为微流体喷射装置。驱动器可包括压电材料，该压电材料可以被电极驱动，导致压电材料朝装置的腔体变形。这种变形的驱动器对腔体施加压力，导致腔体内的流体例如通过喷嘴流出。包括驱动器、腔体和喷嘴的各个结构元件可以影响喷射多少流体。在具有多个结构的MEMS中，为整个MEMS上的各个结构形成尺寸均匀的元件，可以改善MEMS性能的均匀性，例如喷射的流体量的均匀性。当试图加工各个结构以具有在MEMS内其他结构的几微米以内的测量时，形成均匀结构则变得具有挑战性。
发明内容
一般而言，一方面，描述了一种微机电装置。该装置具有主体以及多个压电岛。该主体具有多个腔体。该多个压电岛由该主体支撑，其中各个压电岛具有第一表面、与该第一表面相对的第二表面、以及与该第一和第二表面相交的第三平面表面。该压电岛具有基本上含有压电材料颗粒且相对没有压电材料松动颗粒的表面。导电材料在该第一表面上，且导电材料在该压电岛的第二表面上。至少一个该多个压电岛置为基本上毗邻该多个腔体的相应腔体。至少一个该压电岛具有在第三表面上的导电材料，该第三表面上的导电材料电学接触位于该第一和第二表面上的导电材料。
一般而言，在另一个方面，描述了一种微机电装置。该装置具有多个腔体。该装置还具有换能器层。该换能器层提供多个换能器，各个换能器置为基本上毗邻该多个腔体的相应腔体，各个换能器包括由该主体支撑的压电岛。该压电岛由第一表面以及与该第一表面相对的第二表面界定，该第一和第二表面基本上是平面的，且该第一表面基本上平行于第二表面。结合层在换能器层和主体之间。该结合层在该换能器层内在至少两个换能器之间延伸。
在另一方面，描述了一种形成具有压电换能器的装置的方法。压电材料主体的第一表面结合到半导体材料。在压电材料主体的第二表面内形成凹形，该凹形具有壁。在形成该凹形之后，压电材料主体的第二表面附着到装置主体。在将该压电材料主体附着到装置主体之后，从该压电材料主体的第一表面除去半导体材料。
本发明包括一个或多个下述潜在优点(或者不包含下述潜在优点)。在形成导电层之前在压电材料内形成底切口，使得可以形成卷绕电极。这些卷绕电极使得可以在与其上形成该电极的侧相对的压电材料侧上产生电极接触区域。该卷绕电极可以电学连接该电极与该电极接触区域。通过将柔性电路仅接触到压电材料的一侧，则柔性电路可附着到驱动电极和接地电极。
在附着到腔体主体之前由被加工的压电材料形成压电驱动器可以提高可用于形成压电材料的工艺步骤的种类，因为腔体主体对于用于形成该驱动器的工艺的灵敏度不需要被考虑。在结合到腔体主体上之前切割该压电材料可以减少或消除形成于腔体主体内的切口，由此降低腔体主体内的泄漏。与压电驱动器中最终压电层深度相比在压电材料块内切割至更深并研磨该压电材料至最终压电层的期望深度，可以允许形成一组厚度一致的压电驱动器。当在开始压电材料块内形成切口的深度大于最终压电层的厚度时，锯条的磨损和半径对压电驱动器一致性的影响较小。厚度一致的驱动器可以提供对施加驱动电压的一致的压电响应。一致的压电响应可以使MEMS内各结构之间的类似性能。流体喷射MEMS中一致的压电响应可以导致，当相近量的功率施加到各个结构的驱动器时，从各个结构喷射一致数量的流体。此外，维持厚度一致的压电驱动器可以维持从一个MEMS内的结构到另一个MEMS内的结构所喷射的流体的数量。在形成驱动器时，在将压电材料结合到腔体主体之前切割该材料可以消除驱动器之间的压电材料突出，由此降低结构之间的串扰。
该压电材料可以在加工之前结合到处理层。处理材料可以控制压电材料响应于加热的膨胀。当特定压电材料例如锆钛酸铅受热时，该材料按照可变速率膨胀。当材料返回到室温时，该材料不会立即恢复到其受热之前的尺寸。如果腔体主体和处理层都是由硅形成，该材料在温度上升时按照可预计的恒定速率膨胀，则该处理层可以控制在加热结合工艺期间引起的压电材料的膨胀，使得该压电材料按照与该腔体膨胀速率近似相等的速率膨胀。因此可以减小在加热过程中出现的未对准。此外，在该压电材料被加工时，该处理层可以被机械处理装置紧固。这减小了在工艺期间由处理装置所致的对压电材料的可能损伤。采用处理层，一些附加工艺是可能的，而当机械处理装置直接保持该压电材料以及该压电材料太薄而无法同时紧固和加工时，这些附加工艺不可能。处理层还可包括对准特征，其有利于压电材料内驱动器前驱体与MEMS主体内腔体的精确对准。该处理层可以宽于压电层。该对准特征可以位于该压电层外部的区域内。
在附图以及下述描述中陈述本发明一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图，并通过权利要求，本发明的其他特征、目标和优点将变得显而易见。
附图说明
图1A为具有压电驱动器的MEMS的一部分的剖面端视图；
图1B为包含具有压电驱动器的两个流体喷射MEMS的一部分的剖面侧视图；
图1C为具有压电驱动器的MEMS装置的顶视图；
图2示出压电材料；
图3示出了压电材料和硅晶片；
图4示出了结合到硅晶片的压电材料组件；
图5示出了减薄压电材料之后的组件；
图5A示出了研磨的压电材料的表面的放大视图；
图5B示出了研磨的压电材料的酸清洗片；
图6示出了具有形成于材料底部的底切口的组件；
图7为切割的压电材料的一个实施的底视图；
图8示出了形成导电层之后沿X轴的压电材料的剖面视图；
图9示出了在形成分离切口之后沿Y轴的压电材料的剖面视图；
图10为具有分离切口、隔离切口和底切口的压电材料的一个实施的底视图；
图11示出了具有底切口和对准切口的压电材料沿X轴的剖面视图；
图12示出了在硅层内形成对准槽口之后组件的剖面视图；
图13为具有对准孔的硅晶片的顶视图；
图14示出了腔体主体的剖面视图；
图15示出了与未完成的驱动器组件对准的腔体主体；
图16示出了结合在一起的腔体主体和压电材料；
图17示出了具有部分形成驱动器的腔体主体；
图18示出了在形成顶导电层之后的压电岛；
图19示出了在涂敷光敏抗蚀剂之后的压电岛；
图20示出了图案化之后的光敏抗蚀剂；
图21为其中各个腔体具有独立驱动器的多个结构的纵向剖面视图；
图22为具有完成的压电驱动器的结构的剖面侧视图；
图23示出了柔性电路附着到驱动器的单个结构；
图24为驱动器一个实施例的平面视图；以及
图25为用于形成含有具有压电驱动器的结构的MEMS的步骤的流程图。
各个附图中的相同符号表示相同的元件。图中部件未按比例绘制。出于演示目的而放大了某些部分。
具体实施方式
描述形成MEMS的方法，该MEMS包含分别具有压电驱动器的结构。如图1A、1B和1C所示，MEMS装置100具有支撑压电驱动器104的主体200，该主体200具有多个换能器结构110。主体200具有形成于材料层内的腔体205。腔体205可以与外部气氛闭合隔离，例如在压力换能器中，或者敞开至外部气氛，例如以喷射流体。主体200可以是单一材料的单层。备选地，主体200可以由结合在一起的多层构成，这些层由单一材料或多种材料形成。
压电驱动器104可包括顶部电极106、压电层109和底部电极112。压电驱动器104可包括形成于腔体205上的隔膜118。隔膜118可以将腔体205与压电层109隔离。在一个实施中，底部电极112通过导电卷绕280电学连接到底部电极接触区域211。在一个实施中，底部电极112可以与其他底部电极112连通。导电卷绕280形成于底切口140，如下文进一步所述。例如氧化物层的绝缘体层(未示出)可位于底部电极112和主体200之间。在一个实施中，主体200作为底部电极。如果主体形成底部电极，仅需要顶部电极106和压电层109以形成压电驱动器。其他电极配置也可以选用，例如电极的并排设置。例如粘合剂的结合材料层可选地位于压电层109和主体200之间。
电路(未示出)可以在底部电极接触区域211电学连接到底部电极112，并电学连接到顶部电极106。该电路可以对电极施加电压。所施加的电压可以驱动压电层109，导致压电材料紧缩。当压电材料紧缩时，该紧缩导致附着的隔膜118朝腔体205偏转，对腔体205施压。在一个实施中，对腔体205施压可以导致将流体从腔体205自喷嘴101喷出。在另一个实施中，腔体205不受驱动器施压，而是受到环境事件施压(或减压)。腔体205压力变化会导致压电层109紧缩，由此产生电压，该电压可以通过电极112、106传输并被电路检测。
如图1B所示，在一个实施中，MEMS可以由两行流体喷射结构构成，使得该两行内的结构面向装置的中心且喷嘴基本上设置成直线。这些结构分别具有贯穿腔体205的长度的纵向中心。一行内结构的中心可以与另一行内结构的中心对准。该结构的剖面视图示出了第一行内一个结构的中心以及第二行内结构的部分剖视图(第二结构的腔体示为部分剖视图)。隔离切口168可以形成于喷嘴101上，使得相互面对的流体喷射结构具有相互电学及物理隔离的驱动器。
多个压电驱动器可以由单一压电材料层形成，其中各个压电驱动器为具有多个结构的MEMS的一个结构的一部分。这允许同时并行处理多个驱动器。为了简化，下文中将结合大部分图示描述单个结构的压电驱动器的形成方法。压电层109和主体200可以切割或蚀刻，使得各个MEMS可以与其他MEMS分离。在一个实施中，可以在主体内蚀刻形成马路(street)103并制作锯切口102。MEMS可以沿马路103和锯切口102手动断裂。如图25所示，主体200和压电层109可以被分别加工并在随后工艺阶段结合在一起。
如图2和25所示，形成压电驱动器开始于提供压电材料开始层(步骤305)，例如锆钛酸铅(压电层107)，尽管可以使用其他压电材料。在一个实施中，PZT的密度约为7.5g/cm3以上，例如约为8g/cm3。d31系数约为200以上。HIPS处理的压电材料可以采用来自日本Sumitomo PiezoelectricMaterials的H5C和H5D。H5C材料的表观密度约为8.05g/cm3，d31约为210。H5D材料的表观密度约为8.15g/cm3，d31约为300。衬底通常约1cm厚，并且可以锯切至期望的工作厚度。压电材料可以通过包括压制、流延、生片、溶胶凝胶、或者沉积的技术形成。压电材料的制造在Piezoelectric Ceramics，B.Jaffe，Academic Press Limited，1971中描述，其全部内容于此引入作为参考。包括热压制的形成方法在第258-259页描述。还可以使用单晶压电材料，例如可以从TRS Ceramics，Philadelphia，PA获得的铌酸铅镁(PMN)。体PZT材料可具有比溅射、丝网印刷或溶胶凝胶形成的PZT材料更高的d系数、介电常数、耦合系数、刚度和密度。
通过使用涉及在附着到主体之前烧制材料的技术，可以在压电材料内获得这些性能。例如，被成型和单独烧制(相对于在支撑上)的压电材料的优点为，可以采用高压将材料填塞到模具中(受热或者未受热)。此外，通常需要更少的添加剂，例如流动剂和结合剂。在烧制工艺中可以使用更高的温度，例如1200-1300℃，实现更好的熟化和颗粒生长。与通过溶胶凝胶或溅射技术形成的压电层不同，体压电材料内的颗粒的宽度可以介于约2至4微米之间。烧制气氛(例如，富铅气氛)可以用于减小PbO(由于高温)从陶瓷的损耗。可能具有PbO损耗或其他退化的成型部分的外表面可以被切除和丢弃。该材料还可以经过热等静压(HIP)处理来处理，陶瓷在该处理中承受高压。HIP工艺可以在烧制期间或者在压电材料块已经烧制之后进行，并用于提高密度，减少孔洞并提高压电常数。HIP工艺可以在氧气或者氧气/氩气气氛中进行。
压电材料的开始层的厚度介于约100至约400微米之间，例如介于约250至约300微米之间。压电材料具有底面113和顶面115，其中底面113将最终成为最靠近腔体主体的表面。
如图3所示，例如硅材料的处理层135置于压电层107的顶面115上。处理层135可以由与用于形成主体200相同的材料形成。处理层135提供了用于保持和传输压电层107的层，使得压电层107在加工期间不受损伤。处理层135也控制压电层107在后续加热和结合步骤期间的膨胀，如下文进一步所述。处理层135的厚度可以介于400至1000微米之间，尽管确切的厚度相对不重要。在一个实施中，处理层135宽于压电层107。
如图4所示，处理层135结合到压电层107(步骤313，图25)。通过将例如聚合苯并环丁烯(polymerized benzocyclobutene，BCB)的粘合剂涂敷到压电层107或处理层135，并随后将两层压在一起，由此可以实现上述结合。随后可以通过例如加热组件而固化该粘合剂。
参考图5，压电层107随后被减薄，使得其厚于驱动器压电部分(图1中部件109)的最终期望厚度，但薄于压电材料的开始层(图25，步骤318)。在一个实施中，压电层107被减薄到小于约200微米，或者约为50微米。
为了减薄压电层107，例如水平研磨的精确研磨技术可以用于产生具有平滑的低孔隙表面形貌的高度均匀薄层。在水平研磨中，工件安装在旋转卡盘上，该旋转卡盘具有机加工到至高平坦度容差的参考表面。工件的暴露表面与水平研磨轮接触，并且高容差地对准。研磨可以在衬底上产生例如约0.25微米以下，例如约0.1微米以下的平坦度和平行性，以及0.5nm Ra以下的表面抛光。该研磨还产生均匀的残余应力。
合适的精确研磨设备为从Cieba Technologies，Chandler，AZ获得的Toshiba Model UHG-130C。使用粗轮，随后使用细轮，研磨衬底。合适的粗轮和细轮分别具有1500粒度(grit)和200粒度的合成金刚石树脂基体。合适的研磨轮从日本的Adoma或Ashai Diamond Industrial Corp.获得。
研磨工艺的一个实施使用下述参数。工件转轴工作于500rpm，研磨轮转轴工作于1500rpm。对于使用粗轮的起初50至300微米，x轴进给速率为10微米/分钟，而对于使用细轮的最后50至100微米，进给速率为1微米/分钟。冷却剂为18兆欧姆-厘米的去离子水。
如图5A所示，在研磨之后，压电层基本上具有平坦的表面，其具有压电材料的牢固附着颗粒和疏松颗粒，以及由压电材料粒子与研磨流体组成的浆料119。研磨工艺解理许多压电材料颗粒，但是也使部分颗粒松动。如图5B所示，在研磨之后，压电材料可以在1％的氟硼酸(HBF4)溶液中清洗，以除去由研磨引起的表面损伤。通过研磨工艺变得松动的压电材料颗粒基本上被除去，留下小的凹形121，而牢固附着的颗粒120保留。该清洗还除去留在压电材料表面上的任何另外材料，例如浆料119。可以使用从Zygo Corp，Middlefield，CT可获得的具有Metroview软件的Zygo model Newview 5000干涉仪测量表面形貌。
如图6所示底切口140形成于压电层107的第二表面113内(图25，步骤324)。压电层107被锯或切以形成底切口140。底切口140形成为使得其延伸至与该结构完成时驱动器压电部分(图1中部分109)最终厚度相同的深度或更深。在一个实施中，底切口140深度约为40微米，完成的驱动器中压电材料层厚度介于约15至35微米。底切口140可以具有在切口基底是圆角的剖面。
参照图7，示出了压电层107的一个实施的底视图。在压电材料的整个表面上示出了多个切口，以示出所形成的多个驱动器。底切口140沿压电层107底部的宽度延伸足够远，使得各个压电驱动器具有底切口140。为了简化制造，底切口140可以延伸至压电层107的整个宽度。在所示实施中，压电层107的底部将与具有18个管芯150的主体对准，管芯的位置示出在部分剖面图中。一对底切口可以穿过各个管芯，因为各个管芯150包括两行结构，且这两行将需要与接地电极的分别连接。
如图8所示，导电层158形成于压电层107的底面113(图25，步骤327)。导电层158将最终成为底部电极以及导电卷绕280，该导电卷绕实现了从底部电极到压电层107顶面的电学接触。导电卷绕280部分位于底切口140的壁上。该涂层可通过真空沉积例如溅射形成。用于沉积的导体可包括铜、金、钨、锡、氧化铟锡(ITO)、钛、铂、金属的组合、或者符合用做电极的其他材料。在一个实施中，导电层包括钛-钨、金-锡和金的叠层。
参考图9，隔离切口也形成为贯穿导电层158并形成在压电层107内(图25，步骤333)。隔离切口将一个压电驱动器的压电材料与相邻压电驱动器的压电材料分离，其可以减小且在某些情形中可以消除相邻驱动器之间的串扰。隔离切口形成为比压电层最终厚度更深。在一个实施中，切口不与其中形成切口的压电层107的总厚度一样深。在一个实施中，隔离切口165为至少15微米深。如果底切口140沿压电层107的X轴设置，则隔离切口165可以形成为沿压电层107的Y轴，使得底切口140垂直于隔离切口165。隔离切口165是在形成导电层的步骤之后形成，使得切口沿其垂直壁不具有导电材料，这不同于底切口140。
如图10所示，形成与底切口140平行的附加X轴隔离切口168。这些X轴隔离切口168可以用于具有两行结构的MEMS装置，以分离彼此面对的相邻结构的压电驱动器，例如图1C中的结构130和131。压电层107的底视图示出了底切口140，以及可选的X轴隔离切口168和沿Y轴的隔离切口165(各个管芯的相应位置示为部分剖面图)。隔离切口165形成于与打印头管芯位置152相对应的区域中。
参考图11，对准切口171形成于压电层107的底面113内(图25，步骤336)。切口171可以用于随后的对准步骤，如下文进一步所示。对准切口171延伸彻底贯穿压电层107并可以部分延伸到处理层135内。在一个实施中，对准切口约80微米深。对准切口171可以形成为沿压电层107的X轴，即，平行于底切口，或者沿Y轴。对准切口171形成于压电层107的周边部分，例如与打印头管芯位置152相对应的压电层107区域的外部，例如介于打印头管芯位置152和压电层107边缘之间。对准切口171并不交叠随后将形成各个驱动器的压电层107的部分。备选地，如果处理层135比压电层107宽，对准切口171可以在位于压电层107外部的区域内制成在处理层135内。
如图12所示，对准槽口182形成于压电层107内(图25，步骤340)。通过将锯切入处理层135的顶面内，由此可以形成对准槽口182。这形成了半圆形剖面切口。为了降低组件(压电层107和处理层135)破碎或弱化的风险，对准槽口182制成正交于对准切口171，且仅形成几个对准槽口。对准槽口182只需要深得足以与对准切口171相交。如图13所示，穿过处理层135的顶视图揭示了切口和槽口的相交。通孔185可以用于将压电层107与主体对准。
参考图14，提供具有腔体205的主体200以附着到压电层107。腔体205分隔成使得，当压电层107与主体200结合在一起时，腔体205与介于各个隔离切口165之间的导电层158对准。腔体205可以更窄，等宽于、或者宽于各个隔离切口165之间的压电层107。
主体200可以由多层或由单层形成。当主体由多层形成时，这些层可以结合在一起以形成层叠结构。如果这些层是由相同材料例如硅形成，则将这些层结合在一起可以形成具有基本上无法察觉的缝隙的单体主体，如2003年10月10日提交的题为“Print Head with Thin Membrane”的美国临时专利No.60/510,459所述，其公开内容与此引入作为参考。腔体可以被隔膜覆盖，该隔膜是柔性的且可以将压电层107的运动传递到腔体。
在一个实施中，主体200为构造成用于喷射例如墨的流体滴或流的流体喷射装置。除了腔体205之外，主体可以具有将腔体205流体连接到存储墨的存储器的墨传输路径。腔体205还包括过滤结构(未示出)，以防止随墨流动的碎片流过腔体205。腔体205可通过下降路径连接到例如喷嘴的出口。
结合层193可以形成于主体200上，例如通过旋涂结合材料层。结合层193可包括粘合剂，例如BCB。备选地，结合层193可形成于导电层158上。结合层193可以非常薄，例如约0.1至0.3微米。
参考图15，压电层107被定位并于主体200对准(图25，步骤344)。具体而言，压电层107和主体200沿Y轴对准，使得分离切口165与主体200内腔体205之间的壁208对准。在一个实施中，压电层107沿X轴对准，使得底切口140不交叠腔体205。
如果主体200由硅形成，则红外相机可以用于揭示壁208的位置。平滑硅表面对红外光基本上透明，允许相机探测到形成于硅主体200内的特征。对准标记可以形成于硅主体200的周边部分。通孔185可以与对准标记对准从而将压电层107与主体200对准，由此将隔离切口165与壁208对准。
如图16所示，在对准之后，导电层158或主体200，取决于粘合剂将涂敷到哪个的表面，与结合层193接触(图25，步骤349)。如果BCB用做粘合剂，主体200和压电层107保持在一起并加热。在一个实施中，组件加热到约200℃约40小时以使BCB聚合。如果主体200的表面或导电层158略微粗糙，则可以避免压电层107和主体200之间的滑动。在一个实施中，大量BCB涂敷到导电层158或主体200，使得主体200和压电层107结合在一起，BCB填充分离切口165和/或隔离切口165的至少一部分。在一个实施中，金属共晶结合将主体200与压电层107结合在一起。
如图17所示，处理层135和部分压电层107从组件除去(图25，步骤352)。处理层135和压电层107可以研磨至彻底除去处理层135并至少减薄压电层107至底切口140基底内的导电层被除去的程度。在一个实施中，压电层107减薄至10至35微米之间，例如约20微米。该减薄步骤将压电层107减薄至其最终厚度并形成各个压电材料岛。为了简化，结合层193未示于该图示及下述图示。
参考图18，上导电层210形成于减薄的压电层107的岛上(图25，步骤359)。上导电层210可以使用真空沉积技术形成，如上所述。上导电层210将用于形成顶部电极106。
如图19所示，光敏抗蚀剂层214例如通过旋涂沉积到上导电层210上。光敏抗蚀剂随后曝光和显影以定义上电极的位置，如图20所示。
如图21所示，上导电层210随后被蚀刻以形成各个电极(图25，步骤364)。上电极宽度等于或小于其所在的压电岛的宽度。在一个实施中，上电极窄于泵浦腔体。上电极和泵浦腔体的宽度之间的比例为约0.5至约1.2，例如约0.65至约0.9。此外，压电岛的宽度可以等于、宽于或窄于其上放置了该压电岛的腔体的宽度。如果压电岛宽于泵浦腔体，例如宽出约10至20微米之间，则泵浦腔体之间的壁可以支撑PZT岛。形成宽于腔体的压电岛允许在结合时对MEMS主体和压电层施加更大的压力，同时降低压电部分在受压时刺穿隔膜的风险。如果下电极为接地电极，则各个压电驱动器的接地电极可以连接到一起，或者各个结构的接地可以被隔离。
如图22所示，在图案化上导电层210时，在压电层107顶面上形成用于下导电层158的下电极接触区域211。由于底切口140形成为深于压电层107的最终深度，在压电层107研磨至其最终厚度之后，导电卷绕280延伸，使得导电材料与压电层107的顶部齐平。顶部导电层以及下电极接触区域211，电学接触导电卷绕280，并因此电学连接到下导电层158或底部电极。(在底切口140形成之后，通过形成导电层的步骤(图25，步骤327)形成导电卷绕280)。图案化工艺除去电极缺口区域220内的导电材料，从而将下电极与顶部电极106导电材料电学分离。
每个具有多个结构的多个管芯可以由公共层形成，例如单个硅衬底和单层压电材料。在主体200加工期间，马路103形成于主体的底面以定义管芯之间的边界。马路103为不横穿主体厚度的凹形。附加的锯切口102在与马路对应的位置形成于压电层107的顶部内。锯切口102无需完全延伸至马路103。相反，可以通过沿马路103手动断开该组件而将各个管芯相互分离(步骤367)。马路103可以形成，且管芯在与底切口140对准的区域中断开。
参考图23，例如导电粘合剂或焊料的导电材料215、225可以设置于驱动器上(图25，步骤371)。柔性电路和驱动器接触。柔性电路229通过电极接触区域221也接触地，或者底部电极。驱动电压可以施加到驱动压电层107的这些电极。
参考图24，在一个实施中，该结构可以构造成使对不驱动腔体205的压电层107部分输入的功率最小化。接触焊盘224尺寸足以结合到柔性电路229。如果压电岛的整个长度均不涉及驱动泵浦腔体，则窄电极部分230可以形成，这降低了无需驱动的压电岛部分的功率损耗。
采用此处所述方法可以克服形成压电驱动器的常规方法引起的困难。由预烧制压电材料片形成的压电层，这使得可以采用主体无法承受而不致损伤主体的技术处理压电材料。例如，如果压电驱动器与主体分离地形成，则压电材料可以烧制至形成更佳熟化和颗粒生长的温度。MEMS其他元件可能无法承受该相同的高温。此外，体压电材料可具有比溅射或溶胶-凝胶压电材料更高的d系数、介电常数、耦合系数、刚度和密度。由例如溶胶-凝胶涂敷主体的其他方法形成的压电材料则要求在压电前驱体内存在添加剂。该添加剂经常被烧掉(burn off)，形成的压电材料的密度低于与主体分离地形成体压电材料的情形。与主体分离地形成体压电材料使材料包括更少或无添加剂。此外，体材料可以在受压状态下烧制。更高的温度与压力使材料更致密，这通常提高材料性能，且特别地减少了材料内孔洞的数目。孔洞可以产生电学短路并毁坏装置。
然而，加工预烧制的压电材料片以形成压电驱动器会引发风险。例如，如果在将压电材料结合到主体之后压电层被切割以分离各个驱动器，则会出现切割至腔体主体内的风险，这可能引起泄漏。相反，会出现切割至压电材料内的深度不够的风险，在相邻结构之间留下突出。如果切口不均匀，则结构对相同功率输入的压电响应程度可能不同，且结构之间会出现串扰。由于锯条在使用时磨损或者锯相对于压电层的定位的变化，由此出现切割深度不均匀。
通过在将材料结合到腔体主体之前研磨和划切压电材料而形成压电驱动器，可以形成厚度均匀的压电驱动器。压电部分在整个单一驱动器上厚度均匀。驱动器还可以在整个一组驱动器上具有非常均匀的厚度。在管芯内所有结构上可以获得的尺寸均匀的示例为，各个结构可以具有宽度介于约25至200微米之间，例如约150微米的压电驱动器，该管芯一行内具有100至200个结构，管芯的全部驱动器的厚度差小至2微米。切割各个岛之后研磨掉压电材料，可以形成具有相互平行的顶面和底面的岛。采用丝网印刷方法，或者通过沉积陶瓷材料生片、图案化陶瓷材料并烧制该陶瓷材料，由此无法实现这种几何。例如烧制生片、丝网印刷、以及溶胶-凝胶涂敷的方法可以形成不具有矩形剖面的压电驱动器。例如，这些方法可以形成驱动器，该驱动器可具有平面底部和弯曲顶部或者矩形上角去除的剖面。通过从体压电材料切割岛，在驱动器整个宽度和长度上的驱动器厚度可以非常均匀。具有高的尺寸均匀性的压电驱动器可以呈现非常均匀的压电特性。
在结合到压电材料之前形成切口可以形成卷绕电极结构。该卷绕电极结构形成了用于位于压电层顶部上的底部电极的接触区域。该卷绕电极结构可以简化集成电路与驱动器的连接。
形成比泵浦腔体宽度更窄的驱动器，可以将驱动器的位移集中到隔膜的最柔性部分上方。通过形成更窄的驱动器，驱动压电材料所需的电压更低。顶部电极可形成为比压电层窄，从而将电压集中到压电层的中心部分。这可以减小整个压电层上的竞争压电力。形成比压电层窄的上电极使得驱动器更好地响应输入电压。更优的驱动器响应使得可以对驱动器更低的驱动电压以获得期望的驱动器响应。形成比泵浦腔体宽的驱动器的优点为，围绕泵浦腔体的壁可以支撑驱动器。如果壁支撑泵浦腔体，则驱动器冲破隔膜的风险降低。具体而言，如果压力施加到驱动器，例如在结合工艺期间，损伤装置的可能性降低。
在将压电层结合到处理层之后减薄相对厚的压电层可以有利于形成驱动器的工艺步骤。如果在结合到腔体主体之前压电层不减薄到合适的工作厚度，则在结合之后需要更长的减薄工艺。此外，期望处理层的刚度高于压电材料。当组件被加热时，刚性更大的处理层允许组件膨胀到接近处理材料的热膨胀。然而，在附着到处理层之前将压电层减薄到其最终厚度可能无法获得期望的厚度而不损伤压电层。处理层提供了在减薄期间用于紧固压电材料的基底。如果用于减薄压电材料的设备在减薄期间可以紧固处理层而不是紧固压电层，则紧固特征干扰减薄工艺的可能性更小。在一个实施中，处理层夹紧到减薄设备，研磨轮将压电层研磨至期望的厚度。由于夹具仅需接触处理层，则夹具无需干涉研磨轮。
研磨会导致暴露的颗粒与压电材料变得松动。此外，研磨形成浆状物质，这种浆状物质包括压电材料的小碎块。浆状物质在研磨过程中会沉积到压电层上。浆状物质和松动颗粒在结合时在压电层和导电层之间形成间隙。这些间隙在不同位置的程度不同，导致性能变化。
在研磨之后清洗压电材料清除压电材料的松动颗粒以及浆料，使得压电材料的表面主要由完全紧固的压电材料颗粒组成。清洗形成更粗糙的表面，但是与具有压电材料松动颗粒的平坦表面的压电材料相比，提高了压电材料的压电特性的效率和均匀性。在研磨之后清洗压电材料还改善了用于涂敷导电材料的表面。如果表面无浆料和松动的材料颗粒，则导电材料和压电材料粘着块之间存在间隙的可能性降低。
通过在将压电材料结合到主体之前将压电材料结合到处理层，由此可以控制压电材料的热膨胀。当压电材料和腔体主体被加热以形成两个结构之间的结合时，压电材料(或其他合适的压电材料)以及用于形成主体的材料可以按照不同速率膨胀，特别是如果主体是由与压电材料不同的材料形成，例如硅。此外，由于热变化引起的压电材料的膨胀和收缩是可变化的。亦即，被加热并冷却回到其原始温度的压电材料可能不会立即返回到其原始尺寸。热膨胀和收缩速率可能由于不同因素而变化，例如材料施加极性多长时间以及该材料已经经历多少个热循环。由于加热引起的腔体主体和压电材料的尺寸变化会改变腔体壁相对于分离切口的对准。
如果处理层由与主体相同的材料形成，则处理层可以控制压电材料的膨胀速率，使得压电材料和主体的膨胀速率基本上相同。具体而言，当处理层远厚于压电材料时，处理层可以迫使压电材料随处理层膨胀和收缩。在一个实施中，压电材料为PZT，处理层是厚度为PZT层厚度的10倍的硅。硅的刚度约为PZT的3倍。由于厚度和刚度的差异，硅的弹簧率为PZT的30倍。具有更大表观弹簧率的材料超过其他材料的膨胀和收缩，由此使PZT以与硅相同的速率膨胀。
上述压电驱动器可以用于形成许多微机械装置，例如具有压电驱动器的传感器、换能器、或者喷墨打印头。
已经描述了本发明的多个实施例。然而应该理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改进。例如，驱动器可以形成为相互平行，但是与压电层成一定角度。可以通过在压电材料主体内形成与表面不垂直而成一角度的凹形，由此形成驱动器。备选地，该凹形具有与主体表面垂直的中心轴，而其侧壁与主体表面形成非90°角。例如，侧壁可以形成梯形形状的岛，其中梯形更宽的部分较更窄的部分远离泵浦腔体。除了PZT之外的压电材料可以用于形成驱动器。驱动电极连接可以位于泵浦腔体上方的岛上，接地电极连接可以位于管芯周边的压电材料岛例如接触岛上，而不是在位于泵浦腔体上的岛上形成驱动和接地连接。备选地，压电岛无需具有卷绕电极。底部电极可以延伸超出压电岛，并与顶部电极电学分离。在一个实施中，电极仅形成于压电材料的表面上。在一个实施中，在切口或凹形暴露之前终止研磨。这使得在驱动器之间留下压电材料桥。该桥足够小以最小化装置之间的串扰。压电材料所附着到的主体内无需形成有腔体。如果该腔体或者其他特征形成于该主体内，该腔体可以在压电材料附着到主体之后形成。因此，其他实施例落在本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种微机电装置，包括：
具有多个腔体的主体；
由所述主体支撑的多个压电岛，其中各个所述压电岛具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面、以及与所述第一和第二表面相交的第三平面表面，其中所述压电岛具有基本上含有压电材料颗粒且相对没有压电材料松动颗粒的表面；以及
在所述第一表面上的导电材料以及在所述压电岛的第二表面上的导电材料，
其中至少一个所述多个压电岛置为基本上毗邻所述多个腔体的相应腔体，
其中至少一个所述压电岛具有在所述第三表面上的导电材料，所述第三表面上的导电材料电学接触在所述第一和第二表面上的导电材料。
2.权利要求1所述的装置，还包括结合层，其中所述结合层在所述第一导电层和所述主体之间，且至少部分所述结合层在所述多个压电岛的至少两个压电岛之间。
3.一种微机电装置，包括：
具有多个腔体的主体；
提供多个换能器的换能器层，各个换能器置为基本上毗邻所述多个腔体的相应腔体，各个换能器包括由所述主体支撑的压电岛，其中所述压电岛由第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面界定，所述第一和第二表面基本上是平面的，且所述第一表面基本上平行于第二表面；以及
所述换能器层和所述主体之间的结合层，其中所述结合层在所述多个换能器的至少两个换能器之间。
4.一种形成具有压电换能器的装置的方法，包括：
将压电材料主体的第一表面结合到半导体材料；
在所述压电材料主体的第二表面内形成凹形，所述凹形具有壁；
在形成所述凹形之后，所述压电材料主体的第二表面附着到装置主体，其中所述装置主体由所述半导体材料形成；以及
在将所述压电材料主体附着到所述装置主体之后，从所述压电材料主体的第一表面除去所述半导体材料。
5.权利要求4所述的方法，其中所述方法还包括从所述压电材料第一表面除去材料，至少直到所述凹形暴露。
6.权利要求5所述的方法，其中所述结合步骤发生在形成所述凹形步骤之前。
7.权利要求6所述的方法，其中从所述压电材料的第一表面除去材料包括减薄所述半导体材料主体。
8.权利要求4所述的方法，其中将所述压电材料主体结合到所述装置主体包括使用热固粘合剂将所述压电材料主体结合到所述装置主体。
9.权利要求8所述的方法，其中将所述压电材料主体附着到所述装置主体包括加热所述压电材料主体和所述装置主体。
10.权利要求4所述的方法，还包括清洗所述压电材料主体以从所述压电材料主体释放压电材料的松动碎片。
11.权利要求10所述的方法，其中清洗所述压电材料主体包括在氟硼酸溶液中清洗所述主体。
12.一种形成具有压电换能器的装置的方法，包括：
清洗压电材料主体；
在所述压电材料主体的第一表面内形成凹形，所述凹形具有壁；
在形成所述凹形之后，所述压电材料主体的第一表面附着到装置主体；以及
在将所述压电材料主体附着到所述装置主体之后，除去至少部分所述压电材料主体的第二表面。
13.权利要求12所述的方法，其中清洗所述主体的步骤包括在氟硼酸溶液中清洗所述压电材料主体。
14.权利要求12所述的方法，其中在将所述压电材料主体附着到所述装置主体之前清洗所述压电材料主体，且所述方法还包括在将所述压电材料主体附着到所述装置主体之后清洗所述压电材料主体。
15.权利要求14所述的方法，其中在附着所述主体之后清洗所述主体包括在氟硼酸溶液中清洗所述压电材料主体。
16.权利要求12所述的方法，还包括在所述压电材料主体上形成第一导电层。
17.权利要求16所述的方法，其中在将所述压电材料主体附着到所述装置主体之前形成第一导电层。
18.权利要求17所述的方法，还包括在除去所述压电材料主体的第二表面的至少一部分之后，形成第二导电层。
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