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探討壓電MEMS微執(zhí)行器技術現在及發(fā)展趨勢

MEMS ? 來源:未知 ? 作者:胡薇 ? 2018-08-30 16:12 ? 次閱讀
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壓電MEMS通過單片即可實現微執(zhí)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(zhí)行器能夠精確、自主地執(zhí)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(zhí)行器不但能夠滿足集成微系統(tǒng)(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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)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(zhí)行器長期穩(wěn)定性研究。

1 壓電MEMS多自由度微振動臺技術

壓電MEMS微執(zhí)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(zhí)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(fā)展了位移放大機構設計、疊加模態(tài)去耦設計、負載帶寬優(yōu)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(yōu)化,實現器件設計與工藝制備的協(xié)同優(yōu)化,獲得壓電微執(zhí)行器穩(wěn)定工藝流程與優(yōu)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(zhí)行器厚度方面處于國際領先水平。而微執(zhí)行器薄型化、低電壓、位移等指標的進步對于后續(xù)集成和應用具備重要意義。指標對比見表1。

圖1 (a)不同結構微振動臺與(b)動態(tài)測試結果

表1 微振動臺性能參數及對比

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(huán)控制能力,可以提供多軸高精度動態(tài)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(wěn)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。

圖2 光學閾值檢測(a)陣列化結構樣片與(b)檢測量隨位移的變化

圖3 自標定模塊三維集成方案(a)剖面圖與(b)三維圖

圖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(lián),體積小于1立方厘米。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100 x 10^6的自標定精度,徹底解決多種MEMS慣性傳感器長期穩(wěn)定性問題。

圖4 加速度計與微振動臺集成(a)初步集成樣片、 (b)封裝樣品與(c)測試結果

3 MEMS壓電微馬達技術

如圖5所示,壓電MEMS微執(zhí)行器在薄型化、低電壓方面的進展提供了新的馬達發(fā)展思路,能夠在極扁平化集成空間中圓片級集成微執(zhí)行器(電機)、轉子、狀態(tài)檢測結構,有望徹底解決傳統(tǒng)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。

圖5 微馬達執(zhí)行器顯微結構

目前,國際上現有的研究表明平面可集成微馬達執(zhí)行器尚存在驅動效率(Q值)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(chuàng)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(zhí)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(zhí)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(wěn)定性優(yōu)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(zhí)行器、轉子的共形集成,期望達到±0.2°的旋轉檢測精度。

圖6 微馬達執(zhí)行器

表2 微馬達執(zhí)行器性能參數及對比

4 PZT材料與微執(zhí)行器長期穩(wěn)定性研究

長期穩(wěn)定性是微執(zhí)行器的重要運行指標,基于PZT材料的MEMS微執(zhí)行器的長期穩(wěn)定在國內尚未有相關文獻報道。影響微執(zhí)行器長期穩(wěn)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(yōu)化,提高微執(zhí)行器長期穩(wěn)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(yōu)化、極化方式優(yōu)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(yōu)化:首先是溫度穩(wěn)定性提升,降低了對工藝溫度的限制,實現了器件性能穩(wěn)定度的提升;另外,通過調控鐵電回線,獲得了微執(zhí)行器執(zhí)行能力的提升。結果如圖7所示。

圖7 (a)材料溫度穩(wěn)定性測量與(b)鐵電回線調控

現階段微執(zhí)行器疲勞測試結果如圖8所示,能夠獲得振動次數高于10^7的穩(wěn)定工作狀態(tài)。目前正在進行多材料體系界面機理研究,探索影響執(zhí)行器疲勞性能的因素,為進一步提高微執(zhí)行長期穩(wěn)定性提升奠定基礎。

圖8 微執(zhí)行器疲勞測試結果

科學意義

本工作以壓電MEMS微執(zhí)行器設計為基礎,以全集成MEMS工藝為手段,制備出性能優(yōu)異的MEMS微執(zhí)行器,掃除了MEMS微執(zhí)行器可能帶來的驅動能量耗散、效率不足、力矩不夠等缺點,填補了集成微系統(tǒng)的執(zhí)行器解決方案空白。在國內打破了PZT材料與MEMS技術融合的設計與工藝瓶頸,發(fā)展出包括“MEMS微執(zhí)行器設計與制備、集成化閉環(huán)檢測控制、多結構集成”的壓電MEMS執(zhí)行器模塊能力,率先推進壓電MEMS器件設計、制備、測試標準化、批量化技術,為其應用奠定基礎。

展望

在進一步提高MEMS微執(zhí)行器性能的基礎上,深入研究集成化閉環(huán)檢測控制技術、多結構集成技術,實現慣性傳感器原位自標定模塊與壓電微馬達模塊。一方面,慣性傳感器原位自標定模塊將會帶來MEMS慣性傳感器領域的變革,打破傳統(tǒng)的自標定模式與高成本傳感器芯片優(yōu)化模式,不僅是傳統(tǒng)高精度高穩(wěn)定性高成本MEMS慣性傳感器的替代品,而且發(fā)展出一系列新型應用和變革,包括提供慣導系統(tǒng)的新設計自由度、導航定位、運動載體控制等系統(tǒng)架構變革,能夠降低慣性傳感器乃至慣導系統(tǒng)的維護成本,延長維護周期。另一方面,壓電微馬達技術由于具備低電壓低功耗、高集成度、高精度等優(yōu)點,將廣泛應用于微動作控制部件、微機械裝配維修、納米定位等方面。

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原文標題:壓電MEMS微執(zhí)行器技術研究進展

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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