CN105823904A - 双自由度mems压电梁结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双自由度MEMS压电梁结构，包括：一衬底电极，该衬底电极为矩形；一锚点，其制作在衬底电极背面纵向的一侧；一第一压电层，其制作在衬底电极上；一夹层电极，其制作在第一压电层上；一第二压电层，其制作在夹层电极上；一第一上电极，其制作在第二压电层上横向的一侧，其宽度小于第二压电层的二分之一；一第二上电极，其制作在第二压电层上横向的另一侧；一第三上电极，其制作在第二压电层上横向的中间；该第一上电极、第二上电极和第三上电极不接触。本发明具有正交误差小、机电转换效率高的特点。

Description

双自由度MEMS压电梁结构

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是一种双自由度MEMS压电梁结构。

背景技术

压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压差的晶体材料，这种在力的作用下电荷再分布的行为成为压电效应；一般压电材料还具备逆压电效应，即在外电场作用下压电晶体产生形变。典型的压电材料有石英、压电陶瓷、氮化铝和有机压电材料。压电材料被广泛应用在MEMS器件中，可以用来制备传感器、执行器或谐振器件。

压电效应可以用来制备传感器，例如石英加速度计就是利用石英晶体在惯性力的作用下产生电势差来进行加速度检测的；逆压电效应可以用来制备执行器，如基于压电材料的射频开关或MEMS陀螺；高频氮化铝谐振器和一些声表面波器件也是利用逆压电效应实现的。

石英陀螺的工作原理在于，石英晶体弹性梁结构首先在逆压电效应驱动下进行谐振运动，当有角速度输入时，角速度引入的柯氏力与谐振运动方向正交，柯氏力作用在弹性梁上，弹性梁在压电效应的作用下产生一个电势差，检测这个电势差就能知道输入角速度的大小。石英晶体能够检测角速度输入的关键在于，由石英晶体制备的弹性梁结构在正交方向上都具备压电特性。

石英陀螺虽然精度高，但是体积大于MEMS陀螺，所以商用消费级陀螺多采用MEMS结构。目前大多MEMS陀螺都采用静电驱动，电容检测的方式，这种工作方式虽然电容检测的精度高，但是静电驱动方式的机电转换效率较低，需要较大的驱动电压。

加州大学伯克利分校的Goericke试图采用压电驱动，电容检测的方式来解决这个问题，遗憾的是研究者没有找到合适的电极配置方式来驱动压电梁的横向振动。其采用的蛇形电极AlN压电梁结构，在压电驱动下，不仅在水平方向上运动，还具备垂直方向上的运动分量，这种结构引入较大的正交误差，导致陀螺的精度难以提高。

为了解决压电MEMS结构驱动和检测的问题，本发明提供了一种双自由度MEMS压电梁结构，该结构由传统的双压电晶片结构进行合理改进得来，可以实现面内和垂直方向上的正交运动。该结构可以单独作为MEMS器件的驱动结构或检测结构，也可以如石英晶体弹性梁一样，既作为驱动结构，也作为检测结构。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种双自由度MEMS压电梁结构，其可以在正交方向上进行驱动或检测，该结构具有正交误差小、机电转换效率高的特点。

本发明提供(不用管)

本发明的有益效果是，其可以在正交方向上进行驱动或检测，该结构具有正交误差小、机电转换效率高的特点。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合/实施例列出附图，详细说明如后，其中：

图1为本发明提出的一种双自由度MEMS压电梁结构的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种双自由度MEMS压电梁结构，包括：

一衬底电极，该衬底电极为矩形，所述的衬底电极的材料为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅；

一锚点，其制作在衬底电极背面纵向的一侧，所述的锚点的材料为硅、碳化硅、石英、氮化硅、氮化铝或宝石；

一第一压电层，其制作在衬底电极上；

一夹层电极，其制作在第一压电层上，所述的夹层电极的材料为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅；

一第二压电层，其制作在夹层电极上；

其中所述的第一压电层和第二压电层的材料相同，为氮化铝或压电陶瓷；

一第一上电极，其制作在第二压电层上横向的一侧，其宽度小于第二压电层的二分之一；

一第二上电极，其制作在第二压电层上横向的另一侧；

其中所述的第二上电极的尺寸形状与第一上电极相同；

一第三上电极，其制作在第二压电层上横向的中间；

其中所述的第一上电极、第二上电极和第三上电极的材料相同，为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅；

其中所述的第三上电极与第一上电极和第二上电极的距离相同；

该第一上电极、第二上电极和第三上电极不接触。

为了方便描述双自由度MEMS压电梁结构的工作模式，这里将垂直于衬底电极2上表面的方向定义为垂直方向，指向锚点1的方向为下方向；在第二压电层5上表面的平面内，垂直于第一上电极6、第二上电极7和第三上电极8的方向定义为横向方向，第二上电极7所在方向为左方向；在第二压电层5上表面的平面内，平行于第一上电极6、第二上电极7和第三上电极8的方向定义为纵向方向，指向锚点的方向定义为后向。

所述的双自由度MEMS压电梁结构，可以工作在四种工作模式下，其一为在横向和垂直方向上都进行检测；其二为横向驱动，垂直方向上检测；其三为垂直方向上驱动，横向进行检测；其四为在垂直和检测方向上都进行驱动。

在第一种工作模式下，夹层电极4施加固定电位，当所述的双自由度MEMS压电梁结构在外界力的作用下产生应变，压电梁上的电荷发生再分布，不同电极之间存在电势差，检测这些电势差，就可以知道梁的应变的大小。其中，当压电梁结构具有垂直方向的应变时，第一压电层3和第二压电层5的上下表面存在再分布的电荷，检测衬底电极2相对于夹层电极4的电势差，或检测第三上电极8相对于夹层电极4的电势差，就可以计算出压电梁结构在垂直方向上的应变，从而计算出外界力在垂直方向上分量的大小。

当压电梁结构具有横向的应变时，第一压电层3和第二压电层5的左右侧存在再分布的电荷，检测位于第二压电层5上表面的第一上电极6和第二上电极7之间的电势差，就可以知道压电梁结构在横向上的应变，从而计算出外界力在横向上分量的大小，其中第一上电极6和夹层电极4之间的电势差与夹层电极4和第二上电极7之间的电势差相等，三个电极构成了以夹层电极4为共模电极的差分输出电极。

在第二种工作模式下，夹层电极4施加固定电位，第一上电极6、夹层电极4和第二上电极7三个电极以夹层电极4为共模电极组成差分输入电极，第一上电极6和夹层电极4之间的电场使第二压电层5在逆压电效应的作用下于第一上电极6一侧纵向上的应变，夹层电极4和第二上电极7之间的电场也使第二压电层5在逆压电效应的作用下于夹层电极4侧产生纵向上的应变。两个场使第二压电层5在纵方向产生的应变大小相等，方向相反，这样就使得了第二压电层5在在横向上的发生偏转。因此在差分输入电压的作用下，压电梁结构只具有横向应变，这样就可以通过施加频率和幅值不同的差分电压信号控制压电梁在横向上的运动。

压电梁在垂直方向上的检测原理与第一种工作模式相同，当压电梁结构上具有垂直方向上的应变时，第一压电层3和第二压电层5的上下表面存在再分布的电荷，检测衬底电极2相对于夹层电极4的电势差，或检测第三上电极8相对于夹层电极4的电势差，就可以计算出压电梁结构在垂直方向上的应变量。

在第三种工作模式下，夹层电极4施加固定电位，衬底电极2和第三上电极8施加相同的电压，第一压电层3在夹层电极4和衬底电极2之间的电势差的作用下，产生纵向应变，同时第二压电层5在第三上电极8和夹层电极4之间的电势差的作用下，也产生一定的纵向应变，这两个纵向应变的方向相反，使得压电梁结构在垂直方向上产生一定的应变。这样就可以通过控制施加在衬底电极2、第三上电极8与夹层电极4之间电压的幅值与频率，驱动压电梁结构在垂直方向上振动。

压电梁在横向上的检测原理与第一种工作模式相同，当压电梁结构上具有横向上的应变时，第一压电层3和第二压电层5的左右侧存在再分布的电荷，第一上电极6、第二上电极7与夹层电极4构成了差分输出电极，夹层电极4为共模电极，检测差分输出电极的输出电压就可以知道压电梁结构在横向上的应变，从而计算出外界力在横向上分量的大小。

在第四种工作模式下，压电梁结构在垂直方向上和横向上的驱动原理与第二种工作模式和第三种工作模式下的驱动原理相同。夹层电极4施加固定电位，第一上电极6、第二上电极7与夹层电极4构成了差分输入电极，夹层电极4为共模电极，差分输入电压控制压电梁在横向上的振动；衬底电极2、第三上电极8输入相同的电压，控制梁在垂直方向上的振动，梁在垂直方向上和横向上的振动相互独立，互不干扰。

上述的四种压电梁工作模式可以根据具体的应用环境进行选择，如作为如微机械镊子的驱动部件时，可以选择第四种工作模式，这样镊子的悬臂能够在正交方向上运动，可以实现微小物体的夹持、移动、放下操作；作为加速度计检测部件时，可以选择第一种工作模式，由于电极的配置可以检测压电梁横向和垂直方向的形变，因此能够实现双轴加速度检测；第二和第三种工作模式可以实现类似石英陀螺的角速度检测，在一个方向上驱动压电梁谐振运动，另一个方向上可以检测由科里奥利力引起的偏转位移。

因此，提出的双自由度MEMS压电梁结构具有多种功能，可以根据现有工艺实现，不会额外增加成本，对于MEMS执行器和检测器的进一步微型化具有重要的意义。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种双自由度MEMS压电梁结构，包括：

一衬底电极，该衬底电极为矩形；

一锚点，其制作在衬底电极背面纵向的一侧；

一第一压电层，其制作在衬底电极上；

一夹层电极，其制作在第一压电层上；

一第二压电层，其制作在夹层电极上；

一第一上电极，其制作在第二压电层上横向的一侧，其宽度小于第二压电层的二分之一；

一第二上电极，其制作在第二压电层上横向的另一侧；

一第三上电极，其制作在第二压电层上横向的中间，

该第一上电极、第二上电极和第三上电极不接触。

2.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的第二上电极的尺寸形状与第一上电极相同。

3.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的第三上电极与第一上电极和第二上电极的距离相同。

4.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的锚点的材料为硅、碳化硅、石英、氮化硅、氮化铝或宝石。

5.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的衬底电极的材料为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅。

6.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的夹层电极的材料为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅。

7.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的第一压电层和第二压电层的材料相同，为氮化铝或压电陶瓷。

8.根据权利要求1所述的双自由度MEMS压电梁结构，其中所述的第一上电极、第二上电极和第三上电极的材料相同，为铝、金、铂、钼、钛、铬、镍、铜或多晶硅。