CN108428786A - 一种微角度驱动装置的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微角度驱动装置的制备方法,包括提供一具有开口结构的衬底,在所述开口上方形成具有悬空结构的双抛双氧硅片、粘结层、下电极、压电层、Ti/Pt上电极叠层,经图案化后形成异形结构。针对现有技术中通常采用矩形的压电器件,通过压电器件的伸缩实现位移驱动,但是其驱动效率和位移范围有待提高的问题,本发明提供了一种微角度驱动装置的制备方法,实现了较高的驱动效率和较大的驱动位移。

Description

一种微角度驱动装置的制备方法
技术领域
本发明涉及驱动装置领域,具体涉及一种微角度驱动装置的制备方法。
背景技术
微机械技术在现代科技领域中已经成为一种热点技术,也是纳米科技研究的一种关键技术。为了获得微位移的精确驱动,压电驱动器逐渐进入了人们的视野,并以其控制精度高、相应快等优势,获得的广泛的关注。压电驱动技术,基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应,通过控制其机械变形产生旋转或直线运动。它具有结构简单,低速、大力矩的优点。这种电机有3种类型,分别为超声式、蠕动式和惯性式。超声波式是利用逆压电效应的基础上,以超声频域的机械振动为驱动技术在电能的控制下通过机械变换产生运动。蠕动式与惯性式主要用于直线运动。压电致动器已被用于应用中需要精确的位置控制,如电子扫描显微镜和显微外科手术。现有技术中通常采用矩形的压电器件,通过压电器件的伸缩实现位移驱动,但是其驱动效率和位移范围有待提高。本申请提出一种具有异形结构的压电驱动装置,实现了较高的驱动效率和较大的驱动位移。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种微角度驱动装置的制备方法,以解决现有技术中采用矩形的压电器件,通过压电器件的伸缩实现位移驱动,但是其驱动效率和位移范围有待提高的问题。本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案能够通过采用具有异形结构的连接臂,可以弯曲应力集中到中间较窄的区域,利用中间较窄区域的较小弹性系数放大形变范围,从而获得较大的驱动位移;同时,由于弯曲集中到中间较窄的区域,相比矩形结构的连接臂,可以减小连接臂两端连接处的形变和应力,避免在连接处产生裂纹,提高器件可靠性。
为实现上述目的,本发明提供的一种微角度驱动装置的制备方法,包括:
步骤(1),提供一衬底,在所述衬底上形成开口;
步骤(2),提供一双抛双氧硅片,将所述双抛双氧硅片固定到所述开口上方;
步骤(3),在所述双抛双氧硅片上依次制备粘结层、下电极、压电层、Ti/Pt上电极,经图案化后形成具有异形结构的压电单元,所述异形结构为两端宽度大于中间宽度的条状结构;
步骤(4),利用所述压电单元和掩膜图案化所述双抛双氧硅片,形成中心区域和两组支撑臂,中心区域通过对称设置的两组支撑臂连接至所述衬底,其中每组支撑臂均具有连续结构,所述连续结构包含位于所述支撑臂端部的接头和连接臂,连接臂具有与压电单元对应的异形结构,所述支撑臂的尾部连接至所述衬底,以实现支撑臂的悬空设置与所述开口上方;
步骤(5),将驱动单元电连接至压电单元的下电极和上电极;
步骤(6),制备覆盖压电单元的隔离保护层。
其中,步骤(4)中每组支撑臂均具有平行设置的1-8个连接臂,所述每个连接臂上均对应设置一个或多个压电单元。
其中,步骤(4)中,所述每组支撑臂具有2-8个连接臂时,所述连接臂以蜿蜒的连续结构设置。相邻的支撑臂之上的压电层具有相反的极化方向,在利用公共的上下电极进行驱动时以相反的方向弯曲,从而获得更大的扭转角度输出。
其中,步骤(4)中,所述接头具有矩形结构或圆弧形结构。
其中,所述双抛双氧硅片厚度为25-90微米。
其中,所述连接臂的间距为2.5-3微米,连接臂中间的宽度为1.6-2微米。经过对比分析,在此比例范围内的连接臂结构中可以兼顾驱动的精确性和驱动的范围,具有最佳的驱动性能。
其中,所述步骤(3)中所述粘结层和下电极由具有粘结性的导电层替代。
其中,所述步骤4中,图案化所述双抛双氧硅片的采用的掩膜为所述下电极。在形成下电极的工艺中,通过掩膜沉积或先沉积后图案化的工艺形成图案化的下电极,利用下电极和位于下电极之上的压电层/上电极叠层作为双氧化硅片的蚀刻掩膜,减少了掩膜的使用,节约了制备成本。
其中,所述压电材料层的制备过程为先制备大于预定厚度的压电单晶,将压电单晶设置到具有粘结性的下电极之上,通过蚀刻减薄工艺减薄压电单晶。
综上所述,本发明提供了一种微角度驱动装置的制备方法,通过采用异形结构的支撑臂,可以弯曲应力集中到中间较窄的区域,利用中间较窄区域的较小弹性系数放大形变范围,从而获得较大的驱动位移;同时,由于弯曲集中到中间较窄的区域,相比矩形结构的连接臂,可以减小连接臂两端连接处的形变和应力,避免在连接处产生裂纹,提高器件可靠性。
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,下面将对实施例或现有技术描述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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-5是本发明的实施例1中一种微角度驱动装置的制备方法的流程图,图3和图4中上图为装置的正视图,下图为装置的俯视图;
图6是本发明的实施例2的一种微角度驱动装置的制备方法的流程图。
附图标记说明如下:
1、Si衬底;2、双抛双氧硅片;4、压电单元;41-44和91-94、压电单元;5接头;6、中心区域;7、71连接轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
具体的实施方式如下。
实施例1
步骤(1),如图1所示,提供一衬底1,在所述衬底1上形成开口;
步骤(2),如图2所示,提供一双抛双氧硅片2,将所述双抛双氧硅片2固定到所述开口上方;
步骤(3),如图3所示,在所述双抛双氧硅片上依次制备粘结层、下电极、压电层、Ti/Pt上电极,经图案化后形成具有异形结构的压电单元41、压电单元42、压电单元43和压电单元44,所述异形结构为两端宽度大于中间宽度的条状结构;
步骤(4),利用所述压电单元和掩膜图案化所述双抛双氧硅片,形成中心区域6和两组支撑臂,中心区域通过对称设置的两组支撑臂连接至所述衬底,其中每组支撑臂均具有连续结构,所述连续结构包含位于所述支撑臂端部的接头和连接臂,连接臂具有与压电单元对应的异形结构,所述支撑臂的尾部连接至所述衬底;其中,上述四个压电单元分别独立设置,以实现相同侧压电单元的反向形变,从而实现中心区域的扭转驱动。
步骤(5),将驱动单元通过引线8电连接至压电单元的下电极和上电极;步骤(6),制备覆盖压电单元的隔离保护层。
实施例2
实施例2的制备过程与实施例1基本相同,区别在于如图6所示在步骤(3)和步骤(4)形成中每组支撑臂具有2个连接臂,所述连接臂以蜿蜒的连续结构设置,相邻将连接臂通过接头5连接,连接臂的间距为2.5微米,连接臂中间的宽度为1.8微米。与连接臂共形设置的压电单元为上侧支撑臂上的压电单元91和压电单元92,下侧支撑臂上的压电单元93和压电单元94,其中压电单元91和压电单元92以相反的方向发生形变,压电单元93和压电单元94以相反的方向发生形变,同时上下两侧支撑臂的形变方向相反,从而实现中心区域61的扭转驱动。
以上所述仅是本发明的优选应用实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微角度驱动装置的制备方法,包括:
步骤(1),提供一衬底,在所述衬底上形成开口;
步骤(2),提供一双抛双氧硅片,将所述双抛双氧硅片固定到所述开口上方;
步骤(3),在所述双抛双氧硅片上依次制备粘结层、下电极、压电层、Ti/Pt上电极,经图案化后形成具有异形结构的压电单元,所述异形结构为两端宽度大于中间宽度的条状结构;
步骤(4),利用所述压电单元和掩膜图案化所述双抛双氧硅片,形成中心区域和两组支撑臂,中心区域通过对称设置的两组支撑臂连接至所述衬底,其中每组支撑臂均具有连续结构,所述连续结构包含位于所述支撑臂端部的接头和连接臂,连接臂具有与压电单元对应的异形结构,所述支撑臂的尾部连接至所述衬底;
步骤(5),将驱动单元电连接至压电单元的下电极和上电极;
步骤(6),制备覆盖压电单元的隔离保护层。
2.如权利要求1所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,步骤(4)中每组支撑臂均具有平行设置的1-8个连接臂,所述每个连接臂上均对应设置一个或多个压电单元。
3.如权利要求3所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述每组支撑臂具有2-8个连接臂时,所述连接臂以蜿蜒的连续结构设置。
4.如权利要求2所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述接头具有矩形结构或圆弧形结构。
5.如权利要求1-4所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,所述双抛双氧硅片厚度为25-90微米。
6.如权利要求3所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,所述连接臂的间距为2.5-3微米,连接臂中间的宽度为1.6-2微米。
7.如权利要求1所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中所述粘结层和下电极由具有粘结性的导电层替代。
8.如权利要求6所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,图案化所述双抛双氧硅片的采用的掩膜为所述下电极。
9.如权利要求1-2所述的一种微角度驱动装置的制备方法,其特征在于,所述压电材料层的制备过程为先制备大于预定厚度的压电单晶,将压电单晶设置到具有粘结性的下电极之上,通过蚀刻减薄工艺减薄压电单晶。
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