一种基于MEMS的压电装置及其制备方法与流程

本发明涉及mems技术及光学领域，尤其是涉及一种基于mems的压电装置及其制备方法。
背景技术：
：微光机电系统作为mems领域一个活跃的分支，由微光学与微机电系统技术融合而成。目前，微光机电系统主要应用在控制mems装置的扭转而使形状发生改变和利用pzt驱动微流体系统中。该应用装置具有体积小、能源损耗低、高可靠性和可批量生产等优势，其通常尺寸在毫米或者微米级别，能完成大尺寸系统难以完成的任务。基于mems的驱动机制主要包括压电驱动、热驱动、静电驱动和电磁驱动四种类型，然而，热驱动方式功耗大、响应速度慢，不能满足高频扫描应用领域的需求；静电驱动方式需要较高的驱动电压；电磁驱动方式则制造工艺较为复杂，致使其应用范围较窄，只适用于一些特殊要求的场合。而压电驱动技术利用压电材料的正反向压电效应将电信号转换为力，能够精准输出毫米、微米甚至纳米级的位移，具有应用范围广、响应速度快、精准度高的优点。因此，设计一种基于mems技术的压电驱动装置来完成驱动任务的装置具有非常重要的意义。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的输出不精确的缺陷而提供一种基于mems的压电装置及其制备方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于mems的压电装置，包括pzt基板和支撑基板，所述pzt基板上设有布置于内圈的驱动部、布置于外圈的固定部、以及与所述驱动部和固定部连接的引线线路；所述固定部和驱动部均为pzt材料，所述支撑基板上覆盖于驱动部和固定部上，支撑基板上与所述固定部对应的位置处设有连接凸起，支撑基板上与所述驱动部对应的位置设有驱动凸起，所述连接凸起与固定部固定连接，所述驱动凸起与驱动部固定连接。本发明中的压电装置以压电驱动作为驱动方式，通过驱动部的pzt材料，加载电压，使驱动部的pzt伸缩，并将其伸缩传递给上部的支撑部，进而向装置施加位移；本申请设立了分开的若干个驱动部和固定部，不同于现有技术中的一整块pzt材料连接于si薄膜上，本申请在支撑基板上设计的驱动部为多个，使支撑基板的形变受力更加均匀可调，避免了支撑基板受力造成损坏；另外，本发明还在支撑基板上设计了连接凸起，使得本发明中驱动部没有完全与支撑基板结合，而是通过连接面积较小的连接凸起与支撑基板相互作用，而不是将整个pzt材料均与支撑基板连接，这进一步防止了pzt材料本身发生的形变对装置造成破坏。所述连接凸起与固定部的截面尺寸匹配，所述驱动凸起的截面尺寸小于驱动部。改设计进一步降低了pzt驱动部与支撑基板之间的连接面积。所述内圈和外圈均为正方形状内圈，所述驱动部设有四个，分别位于内圈边部的中间位置；所述固定部设有四个，分别位于外圈边部的中间位置。所述驱动部和固定部分别与独立的引线线路连接。通过向驱动部和固定部独立施加电压，通过控制输入到各个驱动部分的电压，控制x，y方向的位移大小，来达到装置自身形变使得焦点可调的目的，提高了装置的适用范围。所述固定部和驱动部的高度均为1.5～2.5mm；在驱动部的伸缩作用下，所述支撑基板发生在伸缩方向上的形变，该形变的量为0.01～0.1mm。本发明还提供了上述的基于mems的压电装置的制备方法，包括以下步骤：支撑基板的制备：提供一si晶片，通过光刻工艺、电感耦合等离子体-反应离子刻蚀法在所述si晶面加工出连接凸起和驱动凸起，并在连接凸起和驱动凸起表面蒸镀au层；pzt基板的制备：提供一si基板和玻璃基板，将si基板和玻璃基板阳极键合得到si基板/玻璃基板；在si基板上通过光刻工艺、玻璃喷砂刻蚀工艺加工出驱动部和固定部的基座部分；在驱动部和固定部的基座部分上通过金键合pzt材料，通过切割刀和掩膜板对pzt材料区域化切断加工出驱动部和固定部，并在驱动部和固定部表面蒸镀au层；支撑基板和pzt基板的结合：以au层作为键合层，对支撑基板和pzt基板进行键合；采用高压电源对键合后的支撑基板和pzt基板进行分极处理，得到所述压电装置。进一步地，所述pzt基板制备过程中采用的掩膜版与pzt基板形状大小相同，并且镂空贯通部位为驱动部、固定部和引线线路的图案；所述掩膜板的边长上设有与所述驱动部和固定部各个边长的延长线对应的切割口。进一步地，所述支撑基板的制备过程具体包括以下步骤：(a)将厚度为0.5～1.5mm的si晶片清洗、脱水烘干，在si晶片表面旋涂光刻胶并在掩膜板下进行紫外线强度为15～25[mj/cm2]的预照射，在150～200℃条件下烘焙后进行强度为80～120[mj/cm2]的全面曝光，曝光后使用显影液进行显影操作；(b)在步骤(a)得到的硅晶片(8)带有光刻胶的一侧表面溅射沉积cr金属25～35秒，得到金属cr层(11)，将光刻胶剥离；(c)将si晶片采用硫酸和过氧化氢混合液清洗、再采用cr蚀刻液刻蚀除去cr层，将si晶片清洗烘干后真空蒸镀au层得到支撑基板。进一步地，所述支撑基板的制备过程具体包括以下步骤：所述pzt基板的制备过程具体包括以下步骤：(a)紫外线照射玻璃基板后用超声波清洗5～10min，在1.0e-02[torr]的低真空条件下下升温至350～400℃进行阳极键合si基板和玻璃基板；(b)在si基板上涂抹光刻胶并在60～90℃条件下烘培处理，以紫外线强度150～200[mj/cm2]条件曝光，然后进行显影操作得到驱动部和固定部图案；使用玻璃喷砂刻蚀工艺在喷射空气压力为0.1～0.4[mpa]、x轴加工速度为30～80[mm/sec]、y轴加工速度：30～80[mm/sec]、扫描次数为50～150的条件下对si基板进行刻蚀，在si基板加工出驱动部和固定部的基座部分，使用丙酮在室温下剥离光刻胶，干燥、正烘培后在驱动部和固定部的基座部分的表面蒸镀一层金属au；在pzt材料的接合表面进行全面金蒸镀；将pzt材料和所述si基板的基座部分通过金键合；(c)采用切割刀对准掩膜板的切割口，对pzt材料进行区域化切断出驱动部和固定部，并且在驱动部和固定部的上表面真空蒸镀au层得到所述pzt基板。进一步地，所述支撑基板和pzt基板的结合的制备过程具体包括以下步骤：在500～600℃、740～780[mbar]压力的条件下，对支撑基板和pzt基板进行键合，键合完成后冷却至室温，使用高压电源对键合后的支撑基板和pzt基板分极处理。整个制备过程中，支撑基板和pzt基板的加工工艺中具有重复性和一致性，减少了布线和装配的差错，加大了设计的灵活性。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)与传统驱动装置相比，本发明的设有若干个相互独立的驱动部，驱动部的pzt材料不完全与支撑基板接触，能够防止pzt驱动部本身发生的形变对装置造成破坏，可靠性大。(2)驱动部独立接引线，可以三个维度调整装置的形变位置，不单单调整横向或纵向方向，对pzt驱动部施加电压后，pzt发生形变能实现装置z轴的上下移动，装置会被拱起，x、y方向会发生较小的偏移，通过调节四个驱动的伸缩长度，可以实现装置自身形变使得焦点可调，扩大了装置的适用范围；(3)相比于其他驱动机制，压电驱动技术具有控制精度高、响应时间短、线性度好和制作工艺较为简单等优点；制造出的装置具有体积小、能耗低和可批量生产等优势；(4)可靠性高，采用au-au晶键结合的方式增强了粘合强度。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的pzt基板制备过程中采用的掩模板结构示意图；图3为实施例1的实际尺寸示意图；图4为本发明中支撑基板的制备过程示意图；图5为本发明中pzt基板制备过程以及pzt基板和支撑基板键合过程示意图；图中，1为支撑基板，2为引线线路，3为固定部，4为驱动部，5为pzt基板，6为掩膜板b，7为切割口，8为si晶片，9为光刻胶a，10为掩膜板a，11为金属cr层，12为玻璃基板，13为si基板，14为光刻胶b，15为金属au，16为pzt材料，17为支撑基板。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例一种基于mems的压电装置，如图1所示，包括pzt基板5和支撑基板1，pzt基板5上设有布置于正方形内圈的四个驱动部4、布置于正方形外圈的四个固定部3、以及与驱动部4和固定部3分别独立连接的引线线路2；其中，固定部3和驱动部4均位于正方形的边长中间位置；固定部3和驱动部4均为pzt材料16；支撑基板1上覆盖于驱动部4和固定部3上，支撑基板1上与固定部3对应的位置处设有连接凸起，支撑基板1上与驱动部4对应的位置设有驱动凸起，连接凸起与固定部3固定连接，驱动凸起与驱动部4固定连接；连接凸起与固定部3的截面尺寸匹配，驱动凸起的截面尺寸小于驱动部4。固定部3和驱动部4的高度相同，均为1.5mm；在驱动部4的伸缩作用下，支撑基板1发生在伸缩方向上的形变形变量的范围为0.01-0.1mm。本实施例的基于mems的压电装置的制备方法，具体包括以下步骤：a支撑基板的制备：s1:选定基板尺寸后将厚度为1mm的si晶片8清洗并脱水烘干，在其上旋涂抹光刻胶a9；s2:经过预烘培并冷却后以紫外线强度为20[mj/cm2]的强度下在掩模板a10下进行初步曝光操作，掩模板10为普通掩模版，镂空部分为一个整体片状，示意图为横截面；s3:在正烘培后进行全面曝光操作，温度为180℃，强度为100[mj/cm2]；s4:使用显影液nmd-3进行显影操作；s5:经过清洗、烘干、正烘培和冷却后进行蒸镀工艺，在得到的硅晶片8带有光刻胶的一侧表面溅射沉积cr金属30秒，得到金属cr层11s6:将光刻胶a9剥离后清洗、脱水烘干；s7:进行icp-rie进行深度蚀刻后用配比为2：1的硫酸和过氧化氢洗净；s8:使用cr蚀刻液刻蚀10min后除去cr层11，然后洗净，脱水烘干，在其上蒸镀金属au完成上部基板的制作。bpzt基板的制作s9:准备si基板13和玻璃基板12，对玻璃基板12预处理：uv照射玻璃基板12，照射10min后用超声波洗净，超声波倾斜8min；s10:对si基板13和玻璃基板12在低真空1.0e-02[torr]的条件下升温至380℃进行阳极键合，降温至100℃后置于室温冷却；阳极键合过程中使用了拉伸保护膜以增强结合强度，即在硅基板的两面涂抹抗蚀剂并贴上切割片，来减少阳极键合中由于污垢和凹凸等因素对结合强度造成的影响，并用氢氟酸去除玻璃和硅结合过程中硅基板表面的氧化膜；s11:在si基板13的表面涂抹光刻胶b14并预烘培20min，以uv强度175[mj/cm2]条件曝光；该步骤采用的掩膜板b6的结构如图2所示，掩膜板b6的结构与pzt基板5形状大小相同，并且镂空贯通部位为驱动部4、固定部3和引线线路2的图案；掩膜板的边长上设有切割口7，切割口7正好位于驱动部4和固定部3图案的边长延长线上，在切割刀切割时，可以作为切割刀初始位置的起点；该掩膜板为使用准分子激光对聚酰亚胺片进行了贯通加工，由此形成用于pzt切割后蒸镀的掩模板b6；s12:使用浓度为0.3％的nahco3喷雾在50℃条件下显影；s13:用0.02％盐酸洗净、干燥、正烘培后进入喷砂加工工艺，条件为喷射空气压力：0.25[mpa]、x轴加工速度：50[mm/sec]、y轴加工速度：50[mm/sec]、扫描次数：100，在si基板13、玻璃基板12上加工出凹槽，即si基板13形成固定部、驱动部的基座部分以及引线线路2部分；s14:使用丙酮在室温下剥离光刻胶，干燥、正烘培后在其上蒸镀一层金属au15；s15:清洗后使用真空蒸镀装置在pzt材料16的一面蒸镀一层金属au15。s16:在550℃稳定温度、压力760[mbar]的条件下进行pzt材料16和下部pzt基板5的键合，具体为pzt-au与au-si的晶键结合；s17:将掩膜板b6和pzt基板对齐，将切割刀对准掩膜板b6的切割口7对齐，采用切割刀对pzt材料16进行分布区域化切割操作，加工出pzt材料的驱动部和固定部，使用掩模板b6对结合后的pzt基板的驱动部和固定部的端部真空蒸镀金，形成一层金属au；c支撑基板与pzt基板的键合s18:上部si材质的支撑基板与下部pzt基板在550℃稳定温度、压力760[mbar]的条件下进行si-au与au-pzt-si-glass的结合；s19:冷却后使用高压电源对其进行分极处理，压电式装置就制作完成了。整个过程中，预烘培的条件为：80℃、20min；正烘培的条件为：180℃、20min；脱水烘干的条件为120℃、30min；极化：高压电源的条件为1.3kv、250℃、30min。本实施例得到的装置各个部位的尺寸表1所示，表1中的字母符号与图3中的标记对应：表1压电装置的尺寸结构尺寸[mm]尺寸[mm]a1.00g16.24b22.34h12.00c26.34i0.60d2.00支撑基板si的厚度0.10e4.00pzt基板si的厚度0.10f2.81支撑基板突起形变0.01～0.1从表1中可以看出，本实施例可以体积小、精度高的驱动装置，可以实现0.01mm的驱动。本实施例提供了一种压电式装置的设计及加工工艺，与现有技术相比，本实施例具有以下优点：选用pzt与装置的结合，能多维度调整位置，便于完成装置形变任务。该装置体积小，质量轻，可以完成大尺寸驱动系统难以完成的任务。压电式驱动机制具有超高的控制精度，能输出毫米、微米甚至纳米级的位移。本发明可灵活应用在控制mems装置的扭转而使形状发生改变和利用pzt驱动微流体系统中。实施例2一种基于mems的压电装置，本实施例的结构与实施例1的结构相同，不同之处在于固定部3和驱动部4的高度为1.5mm；以及制备过程中的具体工艺参数：a支撑基板的制备：s1:选定基板尺寸后将厚度为0.5mm的si晶片8清洗并脱水烘干，在其上旋涂抹光刻胶a9；s2:经过预烘培并冷却后以紫外线强度为15[mj/cm2]的强度下在掩模板a10下进行初步曝光操作，掩模板10为普通掩模版，镂空部分为一个整体片状，示意图为横截面；s3:在正烘培后进行全面曝光操作，温度为150℃，强度为100[mj/cm2]；s4:使用显影液nmd-3进行显影操作；s5:经过清洗、烘干、正烘培和冷却后进行蒸镀工艺，在得到的硅晶片8带有光刻胶的一侧表面溅射沉积cr金属30秒，得到金属cr层11s6:将光刻胶a9剥离后清洗、脱水烘干；s7:进行icp-rie进行深度蚀刻后用配比为2：1的硫酸和过氧化氢洗净；s8:使用cr蚀刻液刻蚀10min后除去cr层11，然后洗净，脱水烘干，在其上蒸镀金属au完成上部基板的制作。bpzt基板的制作s9:准备si基板13和玻璃基板12，对玻璃基板12预处理：uv照射玻璃基板12，照射10min后用超声波洗净，清洗5min；s10:对si基板13和玻璃基板12在低真空1.0e-02[torr]的条件下升温至350℃进行阳极键合，降温至100℃后置于室温冷却；阳极键合过程中使用了拉伸保护膜以增强结合强度，即在硅基板的两面涂抹抗蚀剂并贴上切割片，来减少阳极键合中由于污垢和凹凸等因素对结合强度造成的影响，并用氢氟酸去除玻璃和硅结合过程中硅基板表面的氧化膜；s11:在si基板13的表面涂抹光刻胶b14并预烘培20min，以uv强度150[mj/cm2]条件曝光；该步骤采用的掩膜板b6的结构如图2所示，掩膜板b6的结构与pzt基板5形状大小相同，并且镂空贯通部位为驱动部4、固定部3和引线线路2的图案；掩膜板的边长上设有切割口7，切割口7正好位于驱动部4和固定部3图案的边长延长线上，在切割刀切割时，可以作为切割刀初始位置的起点；该掩膜板为使用准分子激光对聚酰亚胺片进行了贯通加工，由此形成用于pzt切割后蒸镀的掩模板b6；s12:使用浓度为0.3％的nahco3喷雾在50℃条件下显影；s13:用0.02％盐酸洗净、干燥、正烘培后进入喷砂加工工艺，条件为喷射空气压力：0.1[mpa]、x轴加工速度：30[mm/sec]、y轴加工速度：30[mm/sec]、扫描次数：50，在si基板13、玻璃基板12上加工出凹槽，即si基板13形成固定部、驱动部的基座部分以及引线线路2部分；s14:使用丙酮在室温下剥离光刻胶，干燥、正烘培后在其上蒸镀一层金属au15；s15:清洗后使用真空蒸镀装置在pzt材料16的一面蒸镀一层金属au15。s16:在500℃稳定温度、压力740[mbar]的条件下进行上部支撑基板1和下部pzt基板5的键合，具体为pzt-au与au-si的晶键结合；s17:将掩膜板b6和pzt基板对齐，将切割刀对准掩膜板b6的切割口7对齐，采用切割刀对pzt材料16进行分布区域化切割操作，加工出pzt材料的驱动部和固定部，使用掩模板b6对结合后的pzt基板的驱动部和固定部的端部真空蒸镀金，形成一层金属au；c支撑基板与pzt基板的键合s18:上部si材质的支撑基板与下部pzt基板在550℃稳定温度、压力760[mbar]的条件下进行si-au与au-pzt-si-glass的结合；s19:冷却后使用高压电源对其进行分极处理，压电式装置就制作完成了。整个过程中，预烘培的条件为：60℃、20min；正烘培的条件为：180℃、20min；脱水烘干的条件为120℃、30min；极化：高压电源的条件为1.3kv、250℃、30min。实施例3一种基于mems的压电装置，本实施例的结构与实施例1的结构相同，不同之处在于固定部3和驱动部4的高度为2.5mm；以及制备过程中的具体工艺参数：a支撑基板的制备：s1:选定基板尺寸后将厚度为1.5mm的si晶片8清洗并脱水烘干，在其上旋涂抹光刻胶a9；s2:经过预烘培并冷却后以紫外线强度为25[mj/cm2]的强度下在掩模板a10下进行初步曝光操作，掩模板10为普通掩模版，镂空部分为一个整体片状，示意图为横截面；s3:在正烘培后进行全面曝光操作，温度为200℃，强度为120[mj/cm2]；s4:使用显影液nmd-3进行显影操作；s5:经过清洗、烘干、正烘培和冷却后进行蒸镀工艺，在得到的硅晶片8带有光刻胶的一侧表面溅射沉积cr金属30秒，得到金属cr层11s6:将光刻胶a9剥离后清洗、脱水烘干；s7:进行icp-rie进行深度蚀刻后用配比为2：1的硫酸和过氧化氢洗净；s8:使用cr蚀刻液刻蚀10min后除去cr层11，然后洗净，脱水烘干，在其上蒸镀金属au完成上部基板的制作。bpzt基板的制作s9:准备si基板13和玻璃基板12，对玻璃基板12预处理：uv照射玻璃基板12，照射10min后用超声波洗净，清洗10min；s10:对si基板13和玻璃基板12在低真空1.0e-02[torr]的条件下升温至350℃进行阳极键合，降温至100℃后置于室温冷却；阳极键合过程中使用了拉伸保护膜以增强结合强度，即在硅基板的两面涂抹抗蚀剂并贴上切割片，来减少阳极键合中由于污垢和凹凸等因素对结合强度造成的影响，并用氢氟酸去除玻璃和硅结合过程中硅基板表面的氧化膜；s11:在si基板13的表面涂抹光刻胶b14并预烘培20min，以uv强度200[mj/cm2]条件曝光；该步骤采用的掩膜板b6的结构如图2所示，掩膜板b6的结构与pzt基板5形状大小相同，并且镂空贯通部位为驱动部4、固定部3和引线线路2的图案；掩膜板的边长上设有切割口7，切割口7正好位于驱动部4和固定部3图案的边长延长线上，在切割刀切割时，可以作为切割刀初始位置的起点；该掩膜板为使用准分子激光对聚酰亚胺片进行了贯通加工，由此形成用于pzt切割后蒸镀的掩模板b6；s12:使用浓度为0.3％的nahco3喷雾在50℃条件下显影；s13:用0.02％盐酸洗净、干燥、正烘培后进入喷砂加工工艺，条件为喷射空气压力：0.4[mpa]、x轴加工速度：80[mm/sec]、y轴加工速度：80[mm/sec]、扫描次数：150，在si基板13、玻璃基板12上加工出凹槽，即si基板13形成固定部、驱动部的基座部分以及引线线路2部分；s14:使用丙酮在室温下剥离光刻胶，干燥、正烘培后在其上蒸镀一层金属au15；s15:清洗后使用真空蒸镀装置在pzt材料16的一面蒸镀一层金属au15。s16:在600℃稳定温度、压力780[mbar]的条件下进行上部支撑基板1和下部pzt基板5的键合，具体为pzt-au与au-si的晶键结合；s17:将掩膜板b6和pzt基板对齐，将切割刀对准掩膜板b6的切割口7对齐，采用切割刀对pzt材料16进行分布区域化切割操作，加工出pzt材料的驱动部和固定部，使用掩模板b6对结合后的pzt基板的驱动部和固定部的端部真空蒸镀金，形成一层金属au；c支撑基板与pzt基板的键合s18:上部si材质的支撑基板与下部pzt基板在600℃稳定温度、压力780[mbar]的条件下进行si-au与au-pzt-si-glass的结合；s19:冷却后使用高压电源对其进行分极处理，压电式装置就制作完成了。整个过程中，预烘培的条件为：90℃、20min；正烘培的条件为：180℃、20min；脱水烘干的条件为120℃、30min；极化：高压电源的条件为1.3kv、250℃、30min。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。当前第1页12