基于微细加工技术的压电驱动器设计(3)

菜单

在微流体系统领域，利用压电驱动器开发出来的压电性微型泵，是微流控系统中动力源。它是基于压电材料的逆压电效应产生驱动力，具有结具有体积小、输出力大、响应速度快、定位精度高、线性好、不发热、无噪声、易于控制等优点。作为一种微执行器，压电驱动器被广泛地应用于医学工程MEMS、微型航天器和微电子芯片冷却系统等等，尤其在医学工程MEMS领域，压电驱动器在微量药物输送、微流体精确供给等方面发挥举足轻重的作用。

除此以外，压电驱动器良好的动态性能也将其应用领域扩展到高速领域，如振动控制等。在工业应用中，压电驱动器具有体积小，结构简单，输出力矩大，没有齿轮箱或制动机构，轴承的响应速度快，高定位分辨率，线性直接驱动，低功耗和高定位精度等优异的特，因而得到了广泛的应用。除此，压电材料可被用来制作智能结构，此类结构除了具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的与意义

近年来，微反应器、微流控分析芯片等一直在积极推动着医疗微流体系统的研究。微流控分析芯片是最大限度地将采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微型全分析系统（μ-TAS），是新世纪分析科学、微机电加工、生命科学、化学合成、分析仪器及环境科学等许多领域的重要发展前沿。微压电驱动器是微流控分析芯片的主要部分，是微流控分析芯片内样品驱动的动力源和核心元件，因此可广泛应用于微流控分析芯片的微压电驱动器研究就显得意义重大[15-16]。

由于压电驱动器具有结构简单、功率重量比大、定位精度高、响应快、断电自锁、以及没有电磁辐射的优点吸引了很多的关注，已成功应用于系统如数码相机自动对焦、微型机器人和月球车等许多领域上。

到目前为止，微压电驱动器实现了悬臂梁式、桥式、和膜式等结构设计。而膜式结构微压电驱动器主要应用于微流体领域，如喷墨打印机、泵和阀。本文针对基于微细加工技术，设计并制备的膜式结构的PZT压电驱动器，并通过性能测试验证压电驱动器的结构设计和制备工艺的可行性。

PZT是一种具有良好的介电、铁电、压电、热释电等优异性能的压电材料，常常用于制作非挥发性动态随机存储器，并在电子材料中扮演者重要角色。近年来，随着MEMS（微机电系统）技术的快速进步，PZT压电薄膜由于具有高压电常数和高机电耦合系数等优点而成为关注的热点，被广泛应用于微型传感器与微型驱动器，已成为微机电系统中应用最为广泛的传感和驱动材料之一。

文中先是详细介绍了压电材料特性与PZT压电驱动器的工作原理，再通过性能仿真，优化压电驱动器结构设计。然后详细叙述了制备PZT压电驱动器的微细加工工艺，通过以金为中间层的共晶键合工艺实现PZT与硅的键合，利用物理减薄工艺实现PZT减薄，采用KrF准分子激光加工技术实现PZT膜的图形化。其中，本文着重研究了利用波长为248 nm KrF准分子激光微细加工技术对PZT压电陶瓷微驱动器的加工。通过调整KrF准分子激光的激光强度、脉冲频率、扫描速度以及扫描次数等参数来进行PZT基板的激光加工，获得了激光加工参数与PZT加工深度的关系，以及得出PZT加工的最优条件。本文对准分子激光微细加工PZT的最优条件进行研究，对其它相关器件制备也具有参考意义。最后，对加工好的PZT微驱动器的性能进行了测试、分析和讨论，为后续压电驱动器制备工艺的优化作了准备。