微执行器是微机械系统(MEMS)器件中的可动部件,是最重要的组成部分。用于流体控制的微执行器主要有微泵、微阀,用于机电领域的微执行器有微马达、微位移器、微继电器、微型镊子等;用于光机电系统的微执行器有微镜,光开关。上述微执行器当前都已研制出以压电方式进行驱动的器件。压电驱动方式具有驱动力大,效率高,响应快,输入/输出为线性等优点。另外,压电驱动多是将压电片(或叠堆)直接固定在被驱动执行器上,有结构简单的优点。因此,压电驱动是MEMS微执行器驱动方式中很有发展前途的驱动技术。
微执行器驱动元件的基本结构一般是膜片、悬臂梁、桥结构。膜片结构可作为微泵[1]、微马达[2]和机器人[3]等大多数压电微执行器的驱动元件。本文对压电膜片的驱动作用进行了静态和膜态的有限元分析,并研制了压电膜片驱动的有阀微泵。
1 压电膜片工作原理
膜片结构压电驱动元件一般为圆形,结构如图1所示。其中,DPZT、Dj分别为压电陶瓷和基片的直径,hPZT、hj分别为压电陶瓷和基片的厚度。压电体可采用横向逆压电效应大的PZT5H材料,压电体上下表面被有电极,轴向极化。弹性基片材料为黄铜或单晶硅。如果向压电体上、下电极施加一定幅度的电压,由于横向逆压电效应在压电层内产生径向拉(或压)应变,最终导致整个压电元件弯曲,而弯曲的最大挠度大于压电体本身横向形变。当施加具有系统谐振频率的交变电压时,压电膜片产生谐振。压电膜片就是利用电控的膜片弯曲形变谐振来实现驱动作用的。
微执行器中压电驱动元件多数是安装在芯片外,用粘接或机械夹持方法固定,此类压电元件一般是铜基压电膜片。近年来,随着压电厚膜制备技术的发展,出现了在芯片内直接制备压电厚膜的芯片内压电驱动微执行器,如采用丝网印刷压电厚膜[4]制作的压电微泵。芯片内的压电驱动微执行器是硅基压电膜片。
2 压电驱动元件的有限元分析
对压电驱动结构进行有限元分析采用ANSYS7.0软件。ANSYS软件是通用有限元分析软件,适合作为MEMS器件的结构分析软件,内置压电耦合场软件包,用于压电分析的单元有Solid5和olid98两种单元。Solid5单元是一个6面8节点的耦合场单元,Solid98是4面4节点耦合场单元,采用Sol2id98单元更适于圆形膜片的模拟分析。
已有的模拟分析表明,当DPZT/Dj约为0.7时, 驱动元件弯曲挠度最大。因此,模拟时取DPZT为8 mm,Dj为12 mm。当弹性基片为黄铜时,基片和压电体胶接,粘结层和上下电极相对于压电体和弹性基片均很薄,模拟时忽略。弹性基片为硅时,丝网印刷压电厚膜直接印刷在硅膜上。进行的模拟有静态分析以获得驱动膜片的弯曲挠度,模态分析以获得驱动膜片谐振频率。
2.1 压电膜片安装方法分析
驱动元件为PZT/Cu膜片结构时,微驱动器采取芯片外安装压电驱动元件。模拟边界条件可分为Cu周边底边固支、固支、简支三种。即将Cu基片周边低面,或整个周边粘接在被驱动器件上;或者铜基片被夹持在驱动器件上(周边纵向固定,横向可动)。而驱动元件为PZT/Si膜片结构时,PZT厚膜直接印刷在微执行器的硅膜上,只有硅膜片周边面固支一种边界条件。
膜片结构的压电驱动元件,适合采用压电振子第二类压电方程进行模拟,压电方程为
式中 Tj为应力;Si为应变;En为电场场度;Dn为电荷面密度;cEji为等场强刚度;enj、emi为压电常数;εsmn为等应变相对介电常数。
压电材料PZT5H的参数
PZT5H密度:7 500 kg/m3
铜基片参数:杨氏模量E=11.7×1010N/m2;泊松比νXY=0.374;剪切模量G=3.8×1010N/m2;密度8 800 kg/m3。
硅基片参数:杨氏模量EX=16.7×1010N/m2,EY=16.7×1010N/m2,EZ=1.3×1010N/m2;泊松比νXY=0.08,νYZ0.51,νXY=0.51;剪切模量GXY=0.8,GYZ=0.51,GXZ=0.51;密度为2 330 kg/m3。
膜片厚度:hPZT为200μm,hj为150μm。
加载电压: 1 V/μm。
图2是压电元件以不同方法安装时膜片弯曲挠度的模拟结果。铜基膜片简支时,形变最大;周边固支时,形变最小。简支时中心的最大挠度达16.134μm;周边固支时中心最大挠度仅11.683μm;周边底边固支时中心最大挠度在前两者之间为13.7μm。由此可知,通过合理设计压电元件在微执行器上的装配方法,可以显著提高驱动位移。而硅基膜片弯曲挠度远小于铜基膜片,膜片中心最大挠度只有简支铜基片的1/3。这是因为硅的刚性强于铜,且硅基片和芯片是一体的缘故。
2.2 膜片厚度的影响
压电体和基片的厚度都对膜片驱动作用有影响。以硅基压电膜片为例进行静态和模态分析。驱动电压还是1 V/μm。模拟结果如图3所示。由图3(a)可以看出,当压电体厚度一定时,随着硅基片厚度的增加PZT/Si膜片最大弯曲挠度显著减小;而硅基片厚度一定时,随着PZT压电体厚度的增加PZT/S膜片最大挠度变化不大,且在厚度比hPZT/hsi为1.25处有最大值,达16.775μm。PZT和Si厚度对压电膜片最大弯曲挠度影响的差异,是因为增加Si弹性基片的厚度只增加了使PZT/Si膜片弯曲需要的应力,膜片刚性变大,使得PZT/Si膜片弯曲最大挠度迅速减小;而压电体PZT厚度的增加,即增大了使PZT/Si膜片弯曲需要的应力、膜片刚性变大,又增大了压电应力,两者同时作用在PZT/Si膜片上,作用相反,因此,PZT/Si膜片挠度最大值变化不大。图3(b)是一阶模态谐振频率随PZT/Si膜片厚度的变化。弹性体Si基片厚度对谐振频率影响大,为线性增加;而压电体PZT厚度对频率影响很小。原因和上面静态分析的原理相同
2.3 压电厚膜在弹性基片上位置、分布的模拟分析
PZT/Si压电膜片是将PZT直接印刷在Si基片上,因此,PZT可印刷在Si基片的不同位置上,也可以是多块分布。图4是不同位置环形PZT厚膜的分析结果;图5是PZT为多块分布的分析结果。为便于比较,PZT厚膜总面积相等,厚度hPZT/hSi为100μm /100μm。
PZT压电厚膜印刷位置对驱动膜片的驱动效果影响显著。PZT压电厚膜在Si弹性基片中心时,驱动膜片的弯曲挠度最大,随着环形厚膜内径增大,迅速减小,至环形厚膜位于基片边缘时,只有位于膜片中心时的一半。
PZT压电厚膜是整体式的,还是被分割为多块分布式的,对膜片的驱动作用影响不大。整体式的好于分布式的。这一分析结果与文献[5]报道不同,原因在于本文模拟分析是圆形膜片,且周边固支,文献报道中是采用的方形膜片,简支状态。
3 压电微泵的研制
图6为压电微泵结构,其外观尺寸14 mm×14 mm×5 mm,泵体为全硅结构。压电驱动元件采用市售的压电峰鸣片,结构同于PZT/Cu压电膜片,厚度hPZT/hiS为200μm/150μm。直接在泵体外简支安装,即峰鸣片的铜基片用有机玻璃环夹持在硅泵体上。为防止流体泄漏,在有机玻璃与铜基片之间垫橡胶圈。
泵体制作工艺:氧化,双面光刻,40%KOH各向异性腐蚀,Si/Si/Si热键合。
微泵测试采用信号发生器,工作电压(方波)为140 V,频率在16.6 Hz时,背压最大,可达836 Pa,流量1.4 mL/min。为了对比,驱动元件压电峰鸣片用胶直接粘接在泵体上,即压电膜片底面周边固支。同样测试条件下,频率在50 Hz时,流量1.1 mL/min。压电驱动膜片简支和底面周边固支安装对比结果表明,模拟结果和压电微泵测试结果趋势完全一致。
4 结论
压电膜片适合作为MEMS微执行器的驱动元件,通过对其进行有限元分析,以及在微泵中的应用,得到如下结论:
a.压电膜片安装方法对驱动元件位移作用影响较大。PZT/Cu压电膜片简支安装,膜片弯曲挠度最大,底面周边固支次之,固支最小。简支和固支膜片弯曲最大挠度相差约30%。
b.压电膜片结构对驱动作用有影响。当PZT/Si膜片的压电体PZT整体位于膜片中心,且PZT/Si厚度比是1.25时,膜片弯曲挠度最大;膜片频率变化是随着Si基片厚度而线性增加,PZT厚度
变化对频率影响很小。
c.微泵采用压电膜片驱动时,压电膜片简支安装可提高背压和流量。
参考文献:
[1] MAILEDER D, VAN L H, MERMET G R, et al. Ahigh2performentce silicon micropump for an implant a2ble drug delivery system [A]. //Proc of the 12thIEEE MEMS ,1999 TechNIcal Digest [C].USA Orlan2do: Florid, 1999,1(17221): 5412546.
[2] MORITA T. Cylindrical micro ultrasonic motor utili2zing bulk lead zirconate titanate [J]. J Jappl Phys,1999, 38(5B): 3 34723 350.
[3]罗 怡,龚振邦,孙麟治,等.双压电薄膜微机器人驱动器的模态分析[J].高技术通讯2001,11(3): 85287.
[4]王 蔚,刘晓为,莫 冰,等.MEMS兼容丝网印刷PZT压电厚膜研究[J].微纳电子技术, 2003, 40(728): 4322434.
[5]徐红星,袁新华.分布式PZT片驱动性能的实验研究[J].甘肃工业大学学报, 2002,28(3): 78281.
本文作者：王 蔚 刘晓为 陈伟平 鲍志勇
