基于压电本征横向驱动机制的大位移MEMS驱动器关键问题研究

A novel large-displacement MEMS actuator based on the piezoelectric inheren lateral mechanism is promoted and the key scientific and technologic problems in development are investigated. The constitutive relations of lateral displacement, volume displacement, charge and the lateral force, applied voltage, bending moment and uniform load would be built to reveal the lateral driving mechanism by research the coupling of mechanical and electric effects. In addition, the constitutive relations and kinematics of lateral range amplifying structure are also investigated to reveal the amplifying mechanism and the influnces on the properties. Thus, the lateral actuator would have merits of large displacement, fast response time, wide bandwith, high accuracy and horizon, and have large potential in the applications of high-performance actuator.

本项目提出一种利用压电本征横向驱动机制的大位移新型MEMS驱动器，并对其开发与应用的关键科学与技术问题进行研究。通过研究压电多层膜复合梁的横向驱动力-电耦合效应，建立压电梁横向形变位移、体积形变、压电电荷与横向集中力、电场、弯矩、均布载荷的本构关系，揭示压电梁的横向驱动机制。在此基础上，结合具有位移放大结构的横向MEMS驱动器的制作和测试分析，研究放大机构横向位移和体积形变与压电梁驱动力和电场、外加弯矩和均布载荷的本构关系和运动学特性，探索其横向位移放大的机理，揭示影响其性能的关键因素。该驱动器具有位移大、响应速度快、运动精度和水平度高、工作频带宽等优点，对高性能横向MEMS驱动器的开发与应用具有重要研究意义。

本项目提出一种利用压电本征横向驱动机制的新型面内水平运动MEMS 驱动器，并对其开发与应用的关键科学与技术问题进行研究。课题组主要进行了压电式面内水平运动MEMS微驱动器的结构和集成工艺设计、功能薄膜材料制备及与MEMS集成制作工艺研究等，具体包括：（1）完成设计了一种具有水平位移放大结构的新型压电式面内MEMS微驱动器，建立了其运动学和动力学理论模型，分析了驱动器的驱动原理和运动学、动力规律，并结合有限元仿真技术，验证了理论模型的正确，获得了优化的结构性能参数和集成制作工艺方案。（2）利用磁控溅射法和溶胶-凝胶 (sol-gel) 法，分别制备了具有高导电性的硅基LaNiO3 (LNO)薄膜电极材料，并以其为电极制备了高性能Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 (PZT)和Nb0.02-Pb(Zr0.6Ti0.4)O3 (PNZT)压电薄膜，通过表征测试其微结构和电学性能，获得了工艺参数、微结构与电学性能三者之间关系。（3）利用MEMS集成制作工艺和硅基压电薄膜的制作方法，对压电式面内水平MEMS微驱动器进行了工艺制作研究，实现了硅基LaNiO3为下电极的压电薄膜与MEMS工艺的兼容制备技术，完成了微驱动器的集成制作工艺研究。