[发明专利]压电式合成射流器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电式合成射流器，还涉及这种合成射流器的制作方法。

背景技术

合成射流器是流动控制领域中重要的器件之一，它采用压电、静电或电磁等驱动方式使其弹性膜片产生振动，从而引起腔体体积的周期性变化，由此将外界气体不断地通过喷口吸入和排出空腔，在不需额外气源的情况下产生合成式射流，实现流场的主动控制。

参照图3。文献“专利号为US 6,457,654的美国专利Micromachined synthetic jet actuators andapplications thereof”公开了一种压电式合成射流器，该合成射流器采用MEMS刻蚀技术在硅片上加工出合成射流器的腔体2和喷口5结构，再用粘接的方法将振动膜片3和压电致动器4与上述结构进行装配，完成器件加工。该技术获得了毫米量级尺寸的微型射流器，但其粘接工艺也带来了生产效率、产品可靠性和一致性降低等问题。同时，由于采用了湿法刻蚀技术，器件的腔体2和喷口5结构剖面几何形状都是锥形。这在相同外部尺寸条件下，减小了腔体体积和喷口孔径，影响了器件产生的合成射流的速度和能量。

发明内容

为了克服现有技术由于粘接工艺带来的可靠性、一致性低的不足，本发明提供一种压电式合成射流器及其制作方法，该方法采用电化学腐蚀法，在腔体位置制备多孔硅层，最后释放多孔硅形成腔体，采用感应耦合等离子刻蚀形成喷口，采用低压化学气相沉积法沉积硅振动膜片，采用溶胶-凝胶法制备压电薄膜，腔体、喷口、振动膜片和压电薄膜在同一个硅基体上加工完成，可以提高合成射流器可靠性和一致性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种压电式合成射流器，包括硅基体、腔体、喷口、振动膜片和压电致动器，硅基体的下方是腔体，位于腔体上方并与腔体贯通的是喷口，腔体和喷口贯穿硅基体，振动膜片位于硅基体的下表面，并在腔体的下方形成悬置薄膜，压电致动器位于振动膜片的下表面中央，其特点是所述的压电致动器由压电材料，以及贴附于其上下表面的上电极和下电极构成。

所述的腔体、喷口、振动膜片以及压电致动器的截面形状是等截面的正方形、矩形或圆形。

所述的振动膜片，其材料是多晶硅、单晶硅或金属材料。

所述的压电材料是PZT压电陶瓷材料或PVDF压电聚合物材料。

一种上述压电式合成射流器的制作方法，其特点是包括以下步骤：首先将硅基体的上下表面抛光，然后采用低压化学气相沉积法在硅基体上沉积氮化硅层，在硅基体的下表面光刻形成掩模，按照腔体的形状与大小，采用电化学腐蚀法制备多孔硅层，或者采用选择性离子注入形成高阻区的方式制备多孔硅层；去除硅基体下表面腔体位置以外的氮化硅层，在硅基体的下表面采用低压化学气相沉积法沉积振动膜片，在振动膜片的表面沉积上电极，采用溶胶-凝胶法制备压电材料，在压电材料的下表面沉积下电极，在硅基体的上表面光刻并进行感应耦合等离子刻蚀形成喷口，释放多孔硅形成腔体

本发明的有益效果是：由于采用电化学腐蚀法，在腔体位置制备多孔硅层，最后释放多孔硅形成腔体，采用感应耦合等离子刻蚀形成喷口，采用低压化学气相沉积法沉积硅振动膜片，采用溶胶-凝胶法制备压电薄膜，腔体、喷口、振动膜片和压电薄膜在同一个硅基体上加工完成，提高了合成射流器可靠性和一致性。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明压电式合成射流器结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是现有技术压电式合成射流器结构示意图。

图中，1-硅基体，2-腔体，3-振动膜片，4-压电致动器，5-喷口，6-上电极，7-下电极。

具体实施方式

参照图1、图2。本发明包括硅基体1、腔体2、喷口5、振动膜片3、压电致动器4、上电极6和下电极7。硅基体1的下方是截面为正方形的腔体2，位于腔体2上方并与腔体2贯通的是截面为正方形的喷口5，腔体2和喷口5贯穿硅基体1，喷口5连接腔体2和外部流场。振动膜片3为多晶硅材料，位于硅基体1的下表面，并在腔体2的下方形成悬置薄膜。压电致动器4由PZT压电陶瓷材料，以及贴附于其上下表面的上电极6和下电极7构成，位于振动膜片3的下表面中央。其中，振动膜片3、压电致动器4的截面形状均为正方形。

对腔体2、喷口5、振动膜片3以及压电致动器4的截面形状做成矩形或圆形进行了试验，也都取得了良好的效果。

另外，对振动膜片3所用材料也进行了单晶硅和金属材料的试验，效果良好。

压电致动器4也使用了PVDF压电聚合物材料，均取得了良好的效果。