压电折叠梁微执行器的低电压优化设计

　　在已受到研究的MEMS 压电薄膜驱动方式中, 一般采用悬臂梁结构实现微器件的驱动。[ 1-7]压电悬臂梁微执行器中, 当梁长较短时由于压电薄膜的伸长量较小, 因此, 悬臂梁结构的最大偏转位移有限。这种特点在一定程度上限制了压电驱动方式在MEMS 领域的广泛应用, 是造成目前较少有采用压电薄膜驱动的成熟MEMS 器件出现的原因之一。

　　压电折叠梁型微执行器可实现大的偏转位移和垂直驱动。[ 8] 一方面, 这种微执行器在保持偏转位移和驱动电压不变的情况下, 可通过适当的增加驱动器的宽度, 缩短驱动器的长度。这使其在一些应用中可大幅度节省阵列器件的面积。另一方面, 它可通过增加折叠级数, 降低了驱动电压, 或获得更大的执行位移。同时, 这种微执行器结构简单, 具有较低的工艺复杂度, 适合集成化制造。

　　本文采用理论分析和有限元数值分析相结合的方法, 对这种微执行器在低电压工作情况下的器件结构进行优化设计。首先通过理论分析获得优化的器件结构参数, 再通过有限元数值模拟验证理论分析结果。

　　1 理论分析和优化

　　在压电悬臂梁微执行器中, 每个悬臂梁的偏转位移或角度可以通过下面几种方法来改善。

　　( 1) 提高压电薄膜的横向压电系数。

　　( 2) 减小悬臂梁弹性层的厚度。

　　( 3) 增加悬臂梁的长度。

　　( 4) 提高工作电压。

　　其中, 提高压电薄膜的横向压电系数需要在压电材料研究上获得突破。其它三种方法是基于执行器结构本身或工作条件提出的。过多减少梁厚度和过多增加梁长度, 一方面增加了由重力或应力引起的悬臂梁静态偏转量, 使常态时悬臂即有较大偏转位移,严重影响它的应用。另一方面这种过长且过薄的悬臂结构使执行器的机械强度显著降低。工作中容易产生抖动现象, 且极易受冲击折断。大的驱动电压也容易造成压电薄膜击穿, 给压电薄膜工作带来许多附加效应, 并增加了相应电子电路的复杂性。

　　在制造方面, 过多减少梁厚度、过多增加梁长度将降低器件微机械加工的成品率, 增加制造的复杂性和成本。大的驱动电压对压电薄膜的质量提出较高的要求, 增加压电薄膜淀积均匀性和完整性等工艺难度。另外, 单维度上较大的驱动器尺寸, 也使其很难在一些微结构器件或器件阵列中的应用。

　　在压电折叠梁微执行器中, 执行器的级数也是一个可变量。它为改善执行器的性能提供了一个新的途径。这样, 在微执行器设计过程中, 既要实现最大的偏转位移, 又要兼顾各种参数的变化带来的不利因素。通过对悬臂梁长度、硅层厚度和执行器的级数进行模拟分析, 再综合考上述因素, 能够在给定的工作电压下获得最佳的器件参数。