MEMS设备和微流体设备的制作方法

文档序号:14680563发布日期:2018-06-12 22:10
MEMS 设备和微流体设备的制作方法

本公开涉及一种MEMS设备和微流体设备,该MEMS设备包括体积减少的压电致动器。



背景技术:

众所周知,目前有许多MEMS设备可用,每个MEMS设备均包含一个或多个压电致动器。

例如,代表本申请人于2016年11月23日提交的、与美国申请序列号15/601,623相对应的意大利专利申请号102016000118584描述了一种微流体设备30,如图1所示。

图1的微流体设备30包括下部部分、中间部分和上部部分。

下部部分通过由半导体材料(例如,硅)制成的第一区域32形成,该第一区域形成入口通道40。

中间部分叠加在下部部分上,并且通过由半导体材料(例如,硅) 制成的第二区域33形成,该第二区域横向界定流体容纳室31。还有,流体容纳室31在下面由第一区域32界定,在上面由例如由氧化硅制成的隔膜层34界定。布置流体容纳室31上面的隔膜层34的区域形成隔膜37。隔膜层34由一厚度(例如,等于约2.5μm)制成,使得其能够弯曲。

上部部分叠加在中间部分上,并且通过由半导体材料(例如,硅) 制成的第三区域38形成,该第三区域界定叠加在流体容纳室31上的致动器室35。第三区域38形成贯穿通道41,其经由隔膜层34中的对应开口42与流体容纳室31连通。

压电致动器39放置在致动器室35中的隔膜37上方。压电致动器39由一对电极43、44形成,由例如PZT(Pb、Zr、TiO3)制成的压电区域29在该对电极之间延伸。压电区域29越过所述电极中的第一电极(以43指示)、并且与所述电极中的第一电极直接接触,并且顶部安装有另一电极(下文被称为第二电极44)、并且与该另一电极直接接触。

喷嘴板36放置在第三区域38上方,通过粘结层47粘结在其上。喷嘴板36具有孔48,其布置在通道41上方、并且经由粘结层47中的开口46与通道41流体连接。孔48形成液滴发射通道的喷嘴,其总体上以49指示,并且还包括贯穿通道41和开口42、46。

在使用中,流体容纳室31通过入口通道40填充有待喷射的流体或液体。在第一阶段中,压电致动器39然后被操作以使得隔膜37朝向流体容纳室31的内部偏转。这种偏转使得存在于流体容纳室31中的流体朝向液滴发射通道49移动,并且导致液滴的受控排出(如箭头45所表示)。在第二阶段中,压电致动器39在相反方向上操作,以便增加流体容纳室31的体积,从而通过入口通道40吸入更多的流体。

无论图1所示的应用细节如何,目前,形成已知类型的压电致动器的压电层在大多数情况下由上述PZT形成,其具有令人满意的压电行为,但是含有高百分比的铅。遗憾的是,铅具有高毒性,从而需要找到使用PZT的备选方案。

众所周知,多年来已经标识了各种无铅压电化合物,诸如BaTiO3类型的陶瓷。然而,通常,今天可用的备选化合物的特征在于对于压电行为而言不是特别好的性能。

不同的途径是减少存在于压电致动器中的铅的量,而不会完全消除它,使得可以保持其组成化合物的良好压电性能。特别地,这种途径需要减少压电材料层的厚度。遗憾的是,如果PZT层的厚度过度地减少(减至小于1μm),则这导致PZT的压电性能(特别地,所谓的 d33系数)的显著降低。



技术实现要素:

一个或多个实施例涉及一种包括体积减少的压电致动器的 MEMS设备。

本公开提供了一种MEMS设备,包括:压电致动器,包括压电材料膜,所述膜包括多个通孔。

根据本公开的实施例,其中所述压电材料是PZT。

根据本公开的实施例,其中所述膜的厚度介于0.2μm至28μm之间。

根据本公开的实施例,其中所述通孔具有侧壁,其中所述侧壁被介电区域覆盖。

根据本公开的实施例,其中所述膜形成单层压电结构。

根据本公开的实施例,其中所述通孔占据的体积和等于没有所述通孔的所述膜的参考区域的体积之间的比例在1%至20%的范围内。

根据本公开的实施例,其中所述通孔相对于所述膜的中心轴对称地布置。

根据本公开的实施例,其中所述通孔具有圆柱形形状、并且以轴对称的方式布置。

根据本公开的实施例,其中所述通孔以中心对称的方式布置。

根据本公开的实施例,还包括第一电极和第二电极,所述膜插置在所述第一电极和第二电极之间,所述第一电极和第二电极彼此电分离。

根据本公开的实施例,该MEMS设备还包括半导体材料隔膜,其中所述膜被耦合至隔膜、并且被配置成使得所述隔膜变形。

根据本公开的实施例,该MEMS设备还包括:流体容纳室,部分地由所述隔膜界定;流体接入通道,与所述流体容纳室流体连接;以及液滴发射通道,与所述流体容纳室流体连接。

本公开提供了一种MEMS设备,包括:第一电极和第二电极;压电膜,在所述第一电极和第二电极之间,所述压电膜包括多个通孔。

根据本公开的实施例,该MEMS设备还包括所述压电膜的表面上的介电层,其中所述第一电极包括多个通孔,所述介电层位于所述压电膜的所述多个通孔和所述第一电极的所述多个通孔中。

根据本公开的实施例,其中所述多个通孔将相同尺寸和形状的所述压电膜的体积减少10%至20%。

根据本公开的实施例,其中所述多个通孔被成组布置,所述组沿着所述压电膜的长度具有可重复图案。

根据本公开的实施例,其中所述MEMS设备是微流体设备、微镜、或微型泵。

本公开提供了一种微流体设备,包括:室,被配置成保持流体;入口,与所述室流体连通;出口,与所述室流体连通;隔膜,界定所述室的一部分;所述隔膜上的压电致动器,所述压电致动器包括压电膜,所述压电膜包括多个通孔,所述压电致动器被配置成使得流体通过所述出口从所述室排出。

根据本公开的实施例,其中所述多个通孔被成组布置,所述组沿着所述压电膜的长度重复。

根据本公开的实施例,其中所述多个通孔将相同尺寸和形状的所述压电膜的体积减少1%至20%。

通过以上方式,本公开提供了一种MEMS设备和微流体设备,该MEMS设备包括体积减少的压电致动器。

附图说明

为了使得能够更全面地理解本公开,现在将参照附图仅通过非限制性示例对其优选实施例进行描述,其中:

图1示意性地示出了通过已知类型的微流体设备的横截面;

图2示意性地示出了通过本MEMS设备的实施例的横截面;

图3示意性地示出了本MEMS设备的一部分的透视图;

图4和图6中的每个图示出了根据相对于参考区域形成致动器的压电区域的体积减少,由压电致动器移位的体积变化的趋势;

图5A和图5B示意性地示出了与图4所示的曲线上的两个不同点相对应的压电区域的示例的透视图;

图7A和图7B示意性地示出了与图6所示的曲线上的两个不同点相对应的压电区域的示例的透视图;以及

图8和图9示意性地示出了本MEMS设备的两个不同实施例的压电区域的上方看的视图。

具体实施方式

在不失一般性的情况下,参考如图2所示的致动器本身形成微流体设备50的情况,以下文本对压电致动器52进行描述。附加地,下文参照与微流体设备30的差异对微流体设备50进行了描述;除非另有说明,否则已经存在于微流体设备30中的微流体设备50的部件以相同的附图标记指示。

鉴于上述,如图3更详细地所示,压电致动器52包括压电区域或膜,这里以54指示并且由PZT膜形成,该膜已经沉积在第一电极 43(图2)上。为了更清楚,图3没有示出任何电极,而且还省略了其他细节;因此,压电区域54被示出为与下面的隔膜37直接接触放置。

详细地,压电区域54在上面和下面分别通过第一表面S1和第二表面S2界定(第二表面S2在图2中示出)。压电区域54的厚度例如大于或等于0.2μm;例如,压电区域54的厚度在0.2μm至28μm的范围内。在不失一般性的情况下,压电区域54形成单层压电结构,也就是说,没有粘结的结构。

多个通孔56在压电区域54中延伸。因此,每个孔56在第一表面S1和第二表面S2之间延伸。

在图2和图3所示的实施例中,孔56彼此相同,并且每个孔均是圆柱形。孔56还以重复图案布置在压电区域54内。

详细地,图3还示出了笛卡尔参考系xyz,使得第一表面S1和第二表面S2平行于平面xy。附加地,当从上方观察时,压电区域54 具有平行于轴线x延长的矩形形状。在这方面,图3还示出了平行于轴线x的压电区域54的对称轴H。

更详细地,在图2和图3所示的实施例中,孔56被布置成形成彼此相同的多个单元60,这些单元60在空间中周期性地以相同的取向重复。

特别地,每个单元60包括分别以56',56″和56″'指示的第一孔、第二孔和第三孔。当从上方观察时,第一孔56'具有位于对称轴H上的中心;第一孔56'还相对于对称轴H对称地布置。

第二孔56″和第三孔56″'被布置在距对称轴H一定距离处;附加地,第二孔56″和第三孔56″'相对于对称轴H彼此对称。实际上,当从上方观察时,第二孔56″和第三孔56″'的中心沿着平行于轴y的轴布置。附加地,当从上方观察时,第一孔56'、第二孔″和第三孔56″' 的中心被布置在等边三角形的顶点处。

单元60沿着对称轴H布置,彼此隔开相等间隔,并且如上文所提及的,具有相同的取向。此外,在两个相邻单元60的第一孔56' 的情况下,当从上方观察时,相应的中心与用于结合被插置在第一孔之间的第二孔56″和第三孔56″'的轴是等距的。从而,当从上方观察时,孔56的中心被布置在具有菱形单元的网格的节点处。

压电致动器52还包括介电区域61,其在图2中以纯定性方式示出。

例如,介电区域61由例如厚度介于100nm和2μm之间的氧化硅 (或氮化硅或氧化铝)层形成,越过第二电极44并且与第二电极44 直接接触。附加地,介电区域61在孔56内延伸,以便完全覆盖每个孔56的侧壁、以及第一电极43的面向孔56的底部的部分;因此第二电极44也被刺穿。换句话说,在图2所示的实施例中,每个孔56 不仅延伸穿过压电区域54,而且延伸穿过第二电极44,并且在第一电极43下方封闭。

在不失一般性的情况下,在每个孔56的情况下,未被介电区域 61占据的孔56的部分被空气或者(在未示出的情况下)被材料(例如,聚合物)占据,该材料具有相对于压电致动器52的其余部分可忽略的机械刚性。

为了实践目的,压电区域54的厚度可以与图1所示的压电致动器39的压电区域29的厚度相同,但是其具有较小体积,从而铅含量较低。申请人还观察到,如下文更详细地描述的,在第一次近似中,体积的减少不会导致压电区域54的压电性能的降低。

在定量方面,图4示出了相对于压电区域的体积减少(以百分比表示)位移的体积的改变趋势(以百分比表示)。特别地,压电区域的体积的减少会指示孔56占据的体积和等于压电区域54但没有孔56 的参考区域(未示出)的体积之间的关系。附加地,如果Vo和Va分别指示当压电致动器未被致动时流体容纳室31的体积、以及当通过施加给定电压来致动压电致动器时的流体容纳室31的体积,并且如果Vdelta指示所谓的移位体积(即,Vdelta=Vo-Va),则移位体积的变化等于100*(Vdelta_PZT_forato- Vdelta_PZT_intero)/(Vdelta_PZT_intero),其中Vdelta_PZT_intero是由压电致动器39移位的体积,而Vdelta_PZT_forato是在压电致动器52 的情况下移位的体积。

还有,参考图4,该图是基于以下假定而绘制:孔56具有如上文所提及的相同直径,以及通过增加孔56之间的间隔(或“节距”)并且因此逐渐减少孔56的数目来获得体积减少。在这方面,纯粹作为示例,图5A和图5B所示的压电区域54的形状分别是指图4所示的曲线的上端和中间点。

在第一近似中,当压电区域的体积的减少值等于约16%时,图4 所示的曲线通过零点;这意味着,对于该值,即使压电区域54包含较少量的压电材料(PZT),压电区域54的压电行为也基本上等于压电区域29的压电行为。还应该指出,对于压电区域的体积的减少值小于16%,压电区域54相对于压电区域29的压电性能会出现意外的增加;这是由压电材料的减少导致压电区域54的刚性降低的事实来解释的。此外,对于压电区域的体积的减少值超过16%,压电区域 54相对于压电区域29的压电性能减少;这种减少发生在角度系数约为1.088的情况。

通常,如果压电区域的体积的减少在1%至20%的范围内,则压电性能保持令人满意。通常,如果压电区域的体积的减少在10%至 20%的范围内,尤其是如果它在15%至17%的范围内,则在压电性能和铅量减少之间实现了良好折衷。

从另一观点来看,图6再次示出了相对于压电区域的体积的减少而移位的体积变化的趋势。然而,通过保持孔56的中心的固定布置 (其仍然彼此相同)并且变化其直径,获得图6所示的曲线。在这方面,纯粹作为示例,图7A和图7B示出了压电区域54的形状,其分别是指图6所示的曲线的上端和中间点。

图6所示的曲线的趋势在第一近似中与图4所示曲线的趋势相同。从而,在第一近似中,根据由孔56所占据的体积量的压电区域 54的行为并未基于该量是否通过增加或减小孔56的密度或通过变化孔56的尺寸来获得而有所区别。

如图8所示,还有与上述所示和描述的实施例不同的可能实施例。特别地,在图8所示的实施例中,这里以154指示的压电区域采用中空圆柱的形式,分别以156和256指示的第一类型的孔和第二类型的孔被布置在该压电区域中,并且在下文分别被称为主孔156和次孔 256。

更详细地,主孔156和次孔256又是直通类型的,并且具有圆柱形形状。主孔156彼此相同;次孔256也彼此相同,并且具有比主孔 156的直径小的直径。

当从上方观察时,主孔156的中心沿着第一圆周而布置;主孔156 也隔开相等的角度间隔。第二孔256的中心沿着第二圆周而布置在第一圆周内部,并且也隔开相等的角度间隔。次孔256的角度分布也相对于主孔156的角度分布成角度偏移(例如,偏移25°)。

实际上,主孔156和次孔256限定具有中心对称性的分布。因此,由于角度偏移,可以获得体积的减少,而不需要将孔太靠近地放在一起。

图9示出了不同的实施例,其中这里以254指示的压电区域再次呈中空圆柱的形式。附加地,在中空圆柱中形成多个孔356,这些孔是直通类型的,彼此相同,与中空圆柱的轴等距,并且隔开相等的角度间隔。此外,孔356中的每个孔具有基于等腰梯形的棱镜的形状。实际上,孔356再次限定具有中心对称性的分布。

从上面的描述中明显看出由本压电致动器提供的优点。特别地,本压电致动器的特征在于具有良好的压电性能,因为尽管压电材料的数量减少,但是厚度不一定减少;后者特点在压电材料含有潜在的有毒元素的情况下是特别有利的。

最后,本文中所描述和说明的压电致动器可以在不背离本公开的保护范围的情况下被明确地改变和变化。

例如,代替PZT,可以使用诸如氮化铝之类的任何其他压电材料。

关于压电区域的形状,其可以与已经描述的有所不同。通常,压电区域总是形成具有单个压电层的结构,也就是说,不与任何其他压电区域接触并且没有进行烧结的层。

孔的形状和布置还可能与已经描述的形状和布置有所不同。例如,一个或多个孔可以包含由介电区域包围的导电材料(未示出),以防止在压电区域和导电材料之间产生电接触。换句话说,孔的侧壁不接触任何导电区域。附加地,通常使用表达“填充结构”来指示存在于每个孔内部的内容物(由其包围的介电区域和导电材料),该填充结构使得没有电流可以沿着孔的侧壁流动。在这方面,与所看到的例如所谓的“过孔”相比,第一电极43和第二电极44彼此电隔离,使得当在使用时,压电材料经受电场。

附加地,这些孔还可以延伸穿过第一下部电极43,其因此可以被刺穿。

最后,如上文所提及的,本压电致动器可以形成在MEMS设备 (例如,微镜或微型泵)中,而非微流体设备中。在这方面,压电区域可以通过隔膜(诸如悬臂元件、微桥、刺穿隔膜等)而被机械地耦合至不同部件。

再多了解一些
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