[發(fā)明專利]一種基于正交極化與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電疊堆致動(dòng)器及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN113394334B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉迎春;張洪軍;劉琳婧;姜桂鋮;楊彬;曹文武
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L41/047
• 分類號(hào): H01L41/047;H01L41/083;H01L41/09;H01L41/257;H01L41/277;H01L41/297;H01L41/43
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 王芳

本發(fā)明公開了一種基于正交極化與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電疊堆致動(dòng)器及其制備方法，屬于集成電路裝備制造領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有壓電疊堆致動(dòng)器極化方向與電場方向不能正交相容的問題。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)圖案電極及壓電單元層的排列，構(gòu)建正交極化與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電疊堆致動(dòng)器，該壓電疊堆致動(dòng)器因非180°電疇翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變，是線性壓電效應(yīng)的～5倍，在20kV/cm驅(qū)動(dòng)電場下，輸出應(yīng)變高于0.6％，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有壓電疊堆致動(dòng)器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于正交極化與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電疊堆致動(dòng)器及其制備方法，屬于集成電路裝備制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

壓電致動(dòng)器作為新型固態(tài)執(zhí)行器，具有精度高、響應(yīng)快、出力大、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，已成為高精度驅(qū)動(dòng)部件性能提升與換代的首選。壓電疊堆致動(dòng)器(Piezoelectric StackActuator，PSA)更是憑借其驅(qū)動(dòng)電壓低、結(jié)構(gòu)尺寸小的獨(dú)特優(yōu)勢，與尖端設(shè)備微型化和功能集成化的發(fā)展趨勢十分契合，現(xiàn)有PSA主要由鋯鈦酸鉛(PZT)系軟性壓電陶瓷制成，其基于線性逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變僅～0.1％，這已經(jīng)限制了PSA的應(yīng)用范圍。因此，如何提高壓電疊堆致動(dòng)器的大應(yīng)變是當(dāng)前微納機(jī)械領(lǐng)域的熱門問題之一。

現(xiàn)有技術(shù)中提升PSA應(yīng)變的方法主要是通過摻雜改性、離子取代和新組元設(shè)計(jì)等方式調(diào)控PZT系陶瓷的物相組成來提高其電致應(yīng)變，進(jìn)而增大PSA應(yīng)變，但是其對PSA應(yīng)變的提升幅度極為有限，最大應(yīng)變依然小于0.15％。

并且從晶體結(jié)構(gòu)與極化理論上講，壓電性能優(yōu)異的陶瓷是經(jīng)過人工極化處理(或稱單疇化處理)的鐵電陶瓷。鐵電體為達(dá)到自由能最低的穩(wěn)定狀態(tài)，通常會(huì)根據(jù)晶體對稱性形成極化方向各異的180°或非180°電疇結(jié)構(gòu)，并能夠在電場作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。非180°疇因不等晶軸之間的翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大應(yīng)變，理論上比線性應(yīng)變大1～2數(shù)量級(jí)。但是鐵電體不同電疇間的轉(zhuǎn)換從能量角度來說具有自發(fā)性，不存在電疇翻轉(zhuǎn)的回復(fù)力，這使得非180°疇翻轉(zhuǎn)通常是不可逆的。因此，壓電材料的周期性正交極化是需要從力致非局域電疇翻轉(zhuǎn)入手，利用極化方向不同的鄰區(qū)之間界面應(yīng)力使得非180°電疇實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)可逆。繼而整體設(shè)計(jì)思路是將壓電材料分區(qū)極化，在外電場作用下，極化與電場平行區(qū)域因線性壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變，與電場垂直區(qū)域因非180°電疇翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生應(yīng)變，且前者遠(yuǎn)小于后者。當(dāng)外電場撤去后，二者界面處因應(yīng)變失配產(chǎn)生失配應(yīng)力，為非180°電疇的可逆翻轉(zhuǎn)提供了回復(fù)力。如，Li等人(Li F,Wang Q,Miao H.J.Appl.Phys.,122(2017):074103)將PZT-5H陶瓷分為垂直和水平極化區(qū)后分別極化，利用非180°電疇翻轉(zhuǎn)，在2kV/mm電場下可產(chǎn)生～0.6％的超大電致應(yīng)變。雖然，周期正交極化可使非180°疇可逆翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大應(yīng)變。然而，厚度模式的PSA極化方向和施加電場方向是共線的，與周期正交極化不相符。

綜上可知，提供一種周期正交極化的新型超大應(yīng)變PSA來實(shí)現(xiàn)自然壓電疊堆陶瓷本身所不具備的壓電模態(tài)和解決極化方向與電場方向不能正交相容的問題是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述問題，通過設(shè)計(jì)內(nèi)電極圖案和壓電層排布周期等新型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自然壓電疊堆陶瓷本身所不具備的壓電模態(tài)，解決極化方向與電場方向不能正交相容的問題，獲得了周期正交極化的新型超大應(yīng)變PSA。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于正交極化與周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電疊堆致動(dòng)器，該壓電疊堆致動(dòng)器包括若干基本驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)基本驅(qū)動(dòng)單元為端面印刷有外電極的層疊結(jié)構(gòu)；所述的基本驅(qū)動(dòng)單元的疊層結(jié)構(gòu)由四種印刷有不同內(nèi)電極圖案的陶瓷薄膜片按照叉指電極的方式周期疊放而成，四種印刷有不同內(nèi)電極圖案的陶瓷薄膜片的代號(hào)分別為K、M、N和L，疊放順序由下至上為L、N、M和K，所述的K的內(nèi)電極圖案與L的內(nèi)電極圖案互為鏡像結(jié)構(gòu)，所述的M的內(nèi)電極圖案與N的內(nèi)電極圖案互為鏡像結(jié)構(gòu)；