多层薄膜压电设备和制造该设备的方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施方式一般涉及压电设备，且更具体地关于薄膜压电致动器和换能器。
【背景技术】
[0002]压电设备发现许多作为电机械致动器和换能器的应用。压电设备可以进一步被分类为使用块体压电材料或压电薄膜。块体压电材料一般具有超过20微米(μπι)的厚度，且通常大大超过50μπι，而薄膜设备使用厚度小于15μπι的压电膜。
[0003]—般来说，在给定强度的电场下的压电材料的物理位移是压电膜厚度的函数。图1中示出了现有技术中的用于增加块体压电设备100的位移的一种技术。块体设备100使用多个块体压电材料平板135A、B、C(例如每个平板厚度以交替方式与多个电极110、120、130、140层叠。如图1进一步示出，电极的电压偏置使得施加到每个连续压电平板两端的电场与下面或上面的平板两端的电场的方向相反。例如，在给定时刻正电压施加到电极110和130而负电压施加到电极120和140。这种偏置可以首先用于将块体压电平板的极性置于反向极性(例如平板135A和135C具有在第一方向的极性?工，且平板135B具有在与PjPP3相反的第二方向的极性P2)。这种相同的偏置可以然后用于在平板两端施加时变电场，产生大的累积物理位移。
[0004]薄膜压电设备能够有利地使用各种微机械技术(例如，材料沉积、光刻图案形成、蚀刻特征形成等)被廉价制造，具有极其高尺寸容差。这样，一个或多个压电薄膜设备可以被执制造成微电机械系统(MEMS)，其可以进一步包括使用兼容技术制造的一个或多个集成电路(1C)。作为一个示例，包括一个或多个流体室和压电栗送致动器的微流设备能够在单个打印头冲模中形成。作为另一个示例，能够在单个MEMS换能器冲模中形成超声换能器，该超声换能器包括能够在与换能器元件的暴露的外表面接触的传播介质(例如空气、水或体组织)中生成高频率压力波的压电膜阵列。
[0005]常规薄膜压电材料的一个问题是压电薄膜材料的厚度可能受到薄膜制造工艺(例如，膜沉积局限)的一个或多个方面的限制。因此，在给定强度的电场下的压电材料的位移与压电膜的厚度之间的关系不可以在与用于块体压电设备100相同的方式中容易地被利用。这样，对压电薄膜的厚度的限制能够限制薄膜压电设备的性能。能够实现更大的压电薄膜厚度且因此能够实现关于设计的膜位移的更大自由度的结构和技术因此在商业上是有利的。
【发明内容】
[0006]这里公开了多层薄膜压电材料堆和结合该堆的设备。薄膜压电材料堆被设置在衬底上，例如但不限于半导体晶片。在实施方式中，多层堆中的压电材料层在所有压电层具有基本相同的组成。针对某些这样的实施方式，中间材料层被设置在在衬底的区域的至少一部分中的两个连续压电材料层之间，该多层压电材料堆被设置在该衬底上。中间材料可以提供该堆内的一个或多个功能，包括但不限于引起连续压电材料层的一者或二者的两端的电场，引起两个连续压电材料之间的微结构的不连续性，调制压电材料堆的累积应力(stress)，以及用作用于根据衬底上的位置改变电场强度的基础。
[0007]在实施方式中，薄膜压电材料堆包括至少第一和第二压电材料层，该第一和第二压电材料层具有各向异性极性，这两个层基本朝向相同方向成极(pole)。在实施方式中，薄膜压电材料堆包括至少第一和第二压电材料层，该第一和第二压电材料层具有柱状多晶微结构。
[0008]在实施方式中，多层薄膜压电材料堆包括至少三个导电电极层，包括设置在两个压电材料层之间的至少一个内部电极层。针对某些这样的实施方式，至少一个外部电极层被设置在与内部电极层相反的压电层的至少一者的一侧上。在一个这样的实施方式中，第一压电材料层被设置在内部电极层与下电极层之间而第二压电材料层被设置在内部电极层上。在另一这样的实施方式中，第二压电材料层被设置在内部电极层与上电极层之间，第一压电材料层被设置在内部电极层的下面。在第三这样的实施方式中，第一压电材料层在内部电极层与下电极层之间而第二压电材料层被设置在内部电极层与上电极层之间。
[0009]在实施方式中，多层薄膜压电材料堆通过使用三个电极中的二者的两端的时变电压被移置同时第三电极被偏置以将压电材料两个层两端的电场下降大约一半。在某些这样的实施方式中，三个电极中的第三者被维持在固定或时变的偏置电势。在一个这样的实施方式中，该偏置电势是在时变驱动电压的整个相位施加在两个电极两端的峰-峰电压的中间。在实施方式中，固定的地电势被维持同时施加到驱动电极的时变电压关于地电势对称变化。
[0010]在实施方式中，压电微机械换能器阵列(例如适用于超声带)包括多个换能器元件，每个换能器元件包括多层压电薄膜堆。在实施方式中，压电流体栗送阵列(例如适合用于打印头)包括多个栗送室，每个栗送室与多层压电薄膜堆进行流体通信。
【附图说明】
[0011]通过示例的方式且非限制方式示出了本发明的实施方式，且当结合附图考虑时参考以下【具体实施方式】能够更全面理解本发明的实施方式，在附图中:
[0012]图1是使用多个压电平板的常规块体压电设备的剖视图；
[0013]图2是具有超过临界厚度的压电材料厚度的薄膜压电设备的剖视图；
[0014]图3A是根据本发明的实施方式的使用中间材料层的多层薄膜压电设备的剖视图；
[0015]图3B是根据实施方式的使用中间电极的多层薄膜压电设备的剖视图；
[0016]图3C是根据实施方式的进一步示出中间电极的工作偏置的图3B的多层薄膜压电设备的剖视图；
[0017]图3D是使用多个中间材料层的多层薄膜压电设备的剖视图；
[0018]图4A是根据实施方式的使用形成图案的中间层的多层薄膜压电设备的剖视图；
[0019]图4B是根据实施方式的图4A中示出的多层薄膜压电设备中的形成图案的中间层的平面图；
[0020]图5是示出根据实施方式的制造多层薄膜压电设备的方法的流程图；
[0021]图6A是根据实施方式的在一个或多个换能器元件中使用多层薄膜压电膜的压电微机械超声换能器(PMUT)阵列的平面图；
[0022]图6B是根据实施方式的使用多层薄膜压电膜的pMUT换能器元件的剖视图；
[0023]图6C是根据实施方式的使用具有多层薄膜压电膜的pMUT阵列的超声换能器装置的不意图；以及
[0024]图7是根据本发明的实施方式的微机械压电流体栗送装置的剖视图；
[0025]图8A、8B和8C是根据实施方式的喷溅的薄膜压电设备的各自的剖视图。
【具体实施方式】
[0026]在以下描述中，提出了许多细节，但是本领域技术人员应当理解本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实施。在一些示例中，公知的方法和设备以框图形式示出，而不是示出细节，以避免使本发明模糊。说明书中引用“实施方式”是指与该实施方式有关描述的特定特征、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，说明书不同地方出现的短语“在实施方式中”不必指本发明的同一个实施方式。此外，特定特征、结构、功能或特性可以被结合在一个或多个实施方式中的任何适当的方式中。例如，第一实施方式可以与第二实施方式结合，只要这两个实施方式没有明确表示为相互排斥的。
[0027]这里使用的术语“耦合”用于描述组件之间的功能或结构关系。“耦合”可以用于表明两个或更多个元件是直接或间接(它们之间有其他中间元件或通过介质)彼此机械、声学、光学或电接触，和/或两个或更多个元件彼此合作或交互(例如因果关系)。
[0028]这里使用的术语“之上”、“之下”、“之间”、和“上面”指的是一个组件或材料层关于另一个组件或材料层的相对位置，其中这种物理关系在组装的环境中或在微机械堆的材料层的环境中对机械组件来说是值得注意的。设置在另一层(组件)之上或之下的一个层(组件)可以与另一层(组件)直接接触或可以具有一个或多个中间层(组件)。此外，设置在两个层(组件)之间的一个层(组件)可以与这两个层(组件)直接接触或可以具有一个或多个中间层(组件)。相比之下，在第二层(组件)“上面”的第一层(组件)与该第二层(组件)直接接触。
[0029]可以理解虽然这里描述的各种实施方式都在直接应用于微流体栗送装置或pMUT阵列的环境中被描述，但是公开的一个或多个结构或技术可以适用于其他类型的薄膜压电设备。因此，虽然模型实施方式具有某些配合和属性，但是本公开具有更宽的适用性。
[0030]图2是具有超过临界厚度T。的压电材料厚度的薄膜压电设备200的剖视图。一般来说，薄膜设备200包括衬底202，其可以是常规用于薄膜压电设备的任意衬底。更具体地，衬底202可以包括一个或多个材料层，每个具有任意厚度(例如薄膜或块体平板材料)，但是组合起来用作用于多层薄膜压电堆的机械支撑的装置。例如，衬底202可以包括一个或多个薄膜，诸如电介质，设置在块体平板材料(诸如半导体(晶体硅)晶片)之上。其他块体材料(诸如玻璃或蓝宝石)也可以被使用。如别处进一步描述的，衬底202中的膜可以包括模板特征，在该特征上薄膜压电堆被沉积以影响压电堆的结构或轮廓形状。设置在衬底202上的是底电极210，其可以包括以层压和/或合金形式的一种或多种金属。一般来说，电极层210可以是本领域中任意已知的适用于形成具有合适双极特性的覆盖压电材料。更具体地，电极层210可以包括一种或多种金属和/或金属氧化薄膜层，其提供对压电材料的良好机械粘合，且提供合适的导电性以保证电极层210区域两端的阻抗足够小以用于压电设备301发挥功能。在进一步实施方式中，电极层210包括惰性贵金