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壓電MEMS微執行器技術研究進展

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019-6-17 10:25:00 訪問數:

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壓電MEMS通過單片即可實現微執行、能量收集、傳感和無線通信,是應用潛力巨大的熱點技術。壓電MEMS微執行器能夠精確、自主地執行復雜動作如直線、旋轉、加速度、鉗動等,以此完成對極微小器件與結構的納米尺度精確操作。因此,壓電MEMS微執行器不但能夠滿足集成微系統(IMS)對自測試性、微定位性和片上操控性的嚴苛要求,同時能夠滿足集成微系統對輸出力矩/體積效能比、響應速度、分辨率、功耗、集成度方面的需求。

2015年開始,以集成微系統任務需求為牽引,通過問題定位、技術分解,確立了基于PZT材料的MEMS微執行器研究,目前取得的研究進展包括以下幾個方面:壓電MEMS多自由度微振動臺技術、MEMS慣性傳感器自標定技術、MEMS壓電微馬達技術與PZT材料與微執行器長期穩定性研究。

1  壓電MEMS多自由度微振動臺技術

壓電MEMS微執行器的設計難點包括了大位移與低驅動電壓之間的制約、驅動負載功率與執行器薄型化之間的制約、不可避免的工藝誤差帶來的性能退化。針對上述性能提升難點,在不斷的摸索過程中形成和發展了位移放大機構設計、疊加模態去耦設計、負載帶寬優化等相關技術。同時,根據多輪次的流片與設計、版圖相互調整的摸索經驗,完成壓電多自由度微振動臺數學模型研究,建立工藝參數與器件性能的映射關系,同時結合器件設計優化,實現器件設計與工藝制備的協同優化,獲得壓電微執行器穩定工藝流程與優異器件性能。

如圖1所示,制得的多自由度微振動臺芯片,在位移/電壓、執行器厚度方面處于國際領先水平。而微執行器薄型化、低電壓、位移等指標的進步對于后續集成和應用具備重要意義。指標對比見表1

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2  MEMS慣性傳感器自標定技術

MEMS慣性傳感器自標定技術主要通過在MEMS慣性傳感器外部集成壓電微振動臺和集成陣列化檢測結構實現閉環控制能力,可以提供多軸高精度動態運動特征,從而實現MEMS慣性傳感器使用前原位無自損標定。通過對MEMS慣性傳感器零位與標度因子的漂移、非敏感軸互耦誤差、陀螺儀加速度靈敏度等參數獲取,在使用前對長期漂移的誤差進行主動補償,能夠從根本上降低對傳感器長期穩定性的要求,大幅度降低其成本,極大地拓展MEMS慣性傳感器應用領域。同時,這種原位自標定技術具備通用性,能夠實現對不同類型與結構的MEMS慣性傳感器包括加速度計、陀螺儀以及IMU的無損原位自標定。

基于多自由度微振動臺的進展,目前已完成MEMS加速度計和陀螺儀的自標定流程驗證。并采用光學閾值檢測方法,解決陣列化高精度貼片工藝技術與微弱電流檢測電路設計制備問題,可實現多自由度微振動臺陣列化高精度檢測,下一步期望實現10 nm的振動位移精度檢測。光學檢測樣片與檢測量隨位移的變化如圖2所示。

3是目前設計的自標定模塊三維集成方案,能實現微振動臺、檢測結構、被標定MEMS傳感器之間的機械結構疊層與互聯,體積小于1 cm3。圖4為已完成的加速度計與微振動臺的集成樣品及測試情況,解決了機械敏感結構集成應力問題,有望達到小于10010-6的自標定精度,徹底解決多種MEMS慣性傳感器長期穩定性問題。

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3  MEMS壓電微馬達技術

如圖5所示,壓電MEMS微執行器在薄型化、低電壓方面的進展提供了新的馬達發展思路,能夠在極扁平化集成空間中圓片級集成微執行器(電機)、轉子、狀態檢測結構,有望徹底解決傳統超聲馬達固有的體積大、裝配一致性差、無法與其他結構高密度集成等問題。

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目前,國際上現有的研究表明平面可集成微馬達執行器尚存在驅動效率(Q)低、負載驅動能力(位移或輸出力矩)不足等問題。針對上述問題,采用新穎的設計思路,創新提出儲能支撐結構設計、異形電極結構等新型設計。從圖6所示微馬達執行器樣片的測試結果可以看出,設計方法切實有效,微馬達執行器不但在位移/電壓、Q值兩項指標上國際領先,而且線性度與穩定性優異,能夠實現對負載的步進旋轉驅動,在輸出力矩、行波驅動效率、集成電壓等方面潛力極大。具體參數對比見表2

同時,提出集成化旋轉步進檢測方案,有望進一步解決極扁平化集成需求、高定位精度需求,實現檢測結構與微馬達微執行器、轉子的共形集成,期望達到±0.2°的旋轉檢測精度。

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4  PZT材料與微執行器長期穩定性研究

長期穩定性是微執行器的重要運行指標,基于PZT材料的MEMS微執行器的長期穩定在國內尚未有相關文獻報道。影響微執行器長期穩定的最主要因素在于設計和PZT材料特性,如何有效的利用PZT材料特性,通過設計方法優化,提高微執行器長期穩定性需要在多輪次流片迭代過程中不斷分析總結。通過界面調控、組分摻雜、制備優化、極化方式優化等一系列配合材料性能參數的設計方法改進,獲得了壓電材料兩個方面性能的優化:首先是溫度穩定性提升,降低了對工藝溫度的限制,實現了器件性能穩定度的提升;另外,通過調控鐵電回線,獲得了微執行器執行能力的提升。結果如圖7所示。

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現階段微執行器疲勞測試結果如圖8所示,能夠獲得振動次數高于107的穩定工作狀態。目前正在進行多材料體系界面機理研究,探索影響執行器疲勞性能的因素,為進一步提高微執行長期穩定性提升奠定基礎。

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