CN101134556A - 微驱动结构的变位增幅装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型机电系统技术领域的微驱动结构的变位增幅装置及其制造方法。本发明装置中，静电式梳状微驱动器是组成变位增幅装置的基本部件，它是由相对成叉指状的固定梳齿部分与可动梳齿部分组成，弹簧梁与增幅部分相连组成结构的增幅杠杆，可动梳齿通过细梁与弹簧梁的上下两端分别相连，支点位于弹簧梁的中间。制造方法为：首先预制掩模板，将设计好目的结构图案迁移在SOI晶片表面；其次用感应耦合反应离子刻蚀工艺刻蚀至SiO2层；然后去除设备层表面的光刻胶；接着利用HF蒸汽刻蚀工艺来刻蚀设备层下边的SiO2层，并且释放出变位增幅结构的可移动部分；干燥以进一步消除粘连问题。本发明能够根据应用需要精确的放大微位移，而且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统技术领域的装置及其制造方法，具体是一种基于静电式梳状的微驱动结构的变位增幅装置及其制造方法。
背景技术
微驱动器或称微型执行器是一种重要的执行机构。它的主要功能是实现力或位移的输出，是微型机电系统(MEMS)的重要组成部分。这既要求构成微驱动器的材料性能要优越又要求应用设计上尽可能合理，这样才能做到不仅仅缩小了尺寸(特征尺寸范围为1um—10mm)，降低了能耗和提高了性能，更重要是通过微型化和集成化，达到采用新的工作原理和实现新的功能的目的。静电式微驱动器是应用较广泛的微驱动器，它们具有效率高、精度高、不发热、响应速度较快等优点，但存在着输出的力小以及驱动电压高等缺点。这一类静电式微驱动器有多种形式其中包括竖向、横向和转动等运动形式，通常采用多组平行的平板电容构成的梳状形式，其目的是为了提高力的输出并降低驱动电压。但其实静电式微驱动器还有一个缺点就是它的单步位移较小限制了它的应用范围。阿基米德最早提出了杠杆原理，杠杆原理在宏观生活中的应用也比比皆是，然而在微驱动结构方面却鲜有介绍。
经对现有技术文献的检索发现，刊登在《IEEJ Trans.SM》(《日本电气工程学报半导体制造分册》)2006年第126卷P306-311上的“Design and Fabricationof Polymer Electrostatic Comb-Drive Actuators for Micro Conveyer Systems”(“用于微传输系统的聚合型静电梳状驱动器的设计与加工”)是微静电驱动器的一个应用，这种微传输系统由直线型梳状驱动器，转动型梳状驱动器，微容器和梳齿结构等部件组成，该文献中通过利用静电驱动器的棘齿结构的往复运动带动一个微容器进行运动，它的优点是整体结构可以通过微加工工艺整体成型，缺点是对于需要较大的直线位移的情况就需要有很多的静电驱动器来实现，这样结构会变得复杂，而且能耗也会增大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微驱动结构的变位增幅装置及其制造方法。本发明解决了静电式微驱动器的位移小的问题，不仅能达到微驱动器的效果，而且能够根据预期设计精确放大微位移，起到微杠杆的作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的微驱动结构的变位增幅装置，包括静电式梳状微驱动器、弹簧梁、支点和增幅部分，这四个可以视为简化的杠杆。静电式梳状微驱动器由固定梳齿部分与可动梳齿部分相对成叉指状构成，弹簧梁与增幅部分相连组成结构的增幅杠杆，可动梳齿通过细梁与弹簧梁的上下两端分别相连，用于产生作用在增幅杠杆上的力；支点位于弹簧梁的中间。本发明结构是利用微驱动力作用在杠杆一端实现微位移的放大功能。
本发明中，静电式梳状微驱动器位移为x，静电式梳状微驱动器力臂长度为a，增幅部分前端位移为y，增幅部分前端力臂长度为b，当在静电式梳状微驱动器的固定梳齿部分与可动梳齿部分之间加以周期性的电压时，可动梳齿就会在静电力和连接可动梳齿部分的弹簧梁弹力的作用下左右运动，使得装置上边的梳齿结构产生一个向左的力和位移x；同时，下边的梳齿结构产生一个向右的力和位移x，既而，带动变位增幅部分前端产生一个向左的力和位移y，这样，变位增幅部分前端的力和位移大小就可以通过调节增幅部分前端与支点的距离b和静电力施加位置与支点的距离a来调节，前端变位量为y＝(b/a)x，增幅率为b/a。既而实现本发明装置变位增幅输出的目的。
本发明涉及的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，具体包括如下步骤：
①首先，预制掩模板，所述的掩模板结构是在一个SOI材料上加工的，这个SOI晶片由三层组成，自上而下分别为Si层、SiO2层和Si衬底，利用UV光刻与显影技术将设计好目的结构图案迁移在SOI晶片表面；
②其次，用ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)工艺刻蚀至SiO2层；
③然后，去除设备层表面的光刻胶；
④接着，利用HF蒸汽刻蚀工艺来刻蚀设备层下边的SiO2层，并且释放出变位增幅结构的可移动部分。HF蒸汽刻蚀技术是在克服制造基于硅的梳状驱动结构过程中经常发生的粘连问题的关键技术。
⑤在HF刻蚀后，进行干燥以进一步消除粘连问题，获得基于静电式梳状微驱动结构的变位增幅装置。
与现有技术相比，本发明装置结构简单，它可以根据应用需求，通过调节增幅部分前端与支点的距离和静电力施加位置与支点距离来调节输出不同的放大位移。本发明方法是基于SOI的微加工工艺，它是一种成熟的工艺，工艺过程简单并且容易实现。本发明的优点在于结合了微加工制造工艺与放大结构的特点，设计出用于微观领域的变为增幅结构，既而开拓了微驱动器的应用领域。
附图说明
图1基于静电式梳状微驱动结构的变位增幅装置结构原理图
图2基于静电式梳状微驱动结构的变位增幅装置的加工工艺
图1中：1—固定梳齿部分，2—可动梳齿部分，3—弹簧梁，4—支点，5—增幅部分，x—静电驱动器位移，y—变位增幅装置的前端位移，a—静电力施加位置与支点之间的距离，b—增幅部分前端与支点之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1中右边所示，本实施例包括静电式梳状微驱动器、弹簧梁3、支点4和增幅部分5四部分，这个结构可以视为简化的杠杆。它们的连接及位置关系是：静电式梳状微驱动器是组成变位增幅装置的基本部件，它由相对成叉指状的固定梳齿部分1与可动梳齿部分2组成；弹簧梁3与增幅部分5相连组成结构的增幅杠杆，上下可动梳齿通过细梁与弹簧梁3的上下两端分别相连，用于产生作用在增幅杠杆上的力；支点4位于弹簧梁3的中间。
所述静电式梳状微驱动器，为线型梳状静电微驱动器。
如图1中左边所示，支点4为杠杆支点，静电式梳状微驱动器位移为x，其力臂长度为a，增幅部分前端位移为y，其力臂长度为b。
本实施例工作过程是，当在线型梳状静电微驱动器的固定梳齿部分1与可动梳齿部分2之间加以周期性的电压100V时，可动梳齿部分2就会在静电力和连接可动梳齿6的弹簧梁弹力的作用下左右运动，使得装置上边的梳齿结构产生一个向左的力和8um的位移x；同时，下边的梳齿结构产生一个向右的力和8um的位移x，如果静电力施加位置与支点4的距离a为20um，增幅部分5前端与支点4的距离b为200um，这时，就会带动变位增幅部分5前端产生一个向左的力和80um的位移y，即前端变位量y＝(b/a)x＝80um，增幅率为b/a＝10。既而实现本发明装置变位增幅输出的目的。背景技术的对比文献中是用作微传输系统的静电微驱动力是直接作用在微棘齿结构上，然后带动微容器进行传输功能，而本发明结构是利用微驱动力作用在杠杆一端实现微位移的放大功能。
如图2所示，基于静电式梳状微驱动结构的变位增幅装置结构是在一个SOI(绝缘层上硅)材料上加工的，这个SOI晶片由三层组成，自上而下分别为30um的Si结构层，4um的SiO2层和500um的Si衬底，如图2中(a)部分。
①首先，设计好用于光刻处理的掩模板，利用UV光刻与显影技术将设计好参照图1的结构图案迁移在上述SOI晶片表面，如图2中(b)部分。
②其次，用ICP-RIE工艺刻蚀至30um处的SiO2层，刻蚀速率为1.2um/min，如图2中(c)部分。
③然后，用去除溶液去除设备层表面的光刻胶。
④接着，利用HF蒸汽刻蚀工艺来刻蚀设备层下边的SiO2层，并且释放出变位增幅结构的可移动部分，如图2中(d)部分。HF蒸汽刻蚀技术是在克服制造基于硅的梳状驱动结构过程中经常发生的粘连问题的关键技术，本工艺的刻蚀参数为：HF质量浓度为46％，温度为40℃，刻蚀速率为0.2um/min。
⑤在HF刻蚀后，该结构在120℃温度下干燥10分钟以进一步消除粘连问题。
本发明制作出来的变位增幅装置，整体尺寸可以控制在1*1mm2，位移放大倍数可达10倍，在100V，10HZ的驱动电压下，梳齿总数200的变位增幅装置驱动力可达200uN，前端增幅位移可达80um，在同种设计要求下，其功耗只为先前的微传输系统功耗的1/4，即22mW。总之，该发明可以产生驱动效果的同时，能够根据应用需要精确的放大微位移，而且结构简单，功耗低。
Claims (9)
1.一种微驱动结构的变位增幅装置，包括静电式梳状微驱动器、可动梳齿、弹簧梁、支点和增幅部分，其特征在于，静电式梳状微驱动器由相对成叉指状的固定梳齿部分与可动梳齿部分组成，弹簧梁与增幅部分相连组成结构的增幅杠杆，可动梳齿部分通过细梁与弹簧梁的上下两端分别相连，支点位于弹簧梁的中间。
2.根据权利要求1所述的微驱动结构的变位增幅装置，其特征是，所述静电式梳状微驱动器位移为x，静电式梳状微驱动器力臂长度为a，增幅部分前端位移为y，增幅部分前端力臂长度为b，变位增幅部分前端的力和位移大小通过调节增幅部分前端与支点的距离b和静电力施加位置与支点距离a来调节，增幅部分前端变位量为y＝(b/a)x，增幅率为b/a。
3.一种微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，包括如下步骤：
①首先，预制掩模板，所述的掩模板结构是在一个SOI材料上加工的，这个SOI晶片由三层组成，自上而下分别为Si层、SiO2层和Si衬底，利用UV光刻与显影技术将设计好目的结构图案迁移在SOI晶片表面；
②其次，用感应耦合反应离子刻蚀工艺刻蚀至SiO2层；
③然后，去除设备层表面的光刻胶；
④接着，利用HF蒸汽刻蚀工艺来刻蚀设备层下边的SiO2层，并且释放出变位增幅结构的可移动部分；
⑤在HF刻蚀后，进行干燥，获得基于静电式梳状微驱动结构的变位增幅装置。
4.根据权利要求3所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述②中，刻蚀速率为1.2um/min。
5.根据权利要求3所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述HF浓度为46％。
6.根据权利要求3或5所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述HF温度为40℃。
7.根据权利要求3所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述④中，刻蚀速率为0.2um/min。
8.根据权利要求3所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述干燥，其温度为120℃。
9.根据权利要求3或8所述的微驱动结构的变位增幅装置的制造方法，其特征是，所述干燥，其时间为10分钟。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109668660A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-04-23 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 一种水平微纳力值发生装置及生成方法 |
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2007
- 2007-10-11 CN CNA2007100469207A patent/CN101134556A/zh active Pending
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| CN109668660A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-04-23 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 一种水平微纳力值发生装置及生成方法 |
| CN109668660B (zh) * | 2018-11-06 | 2023-09-12 | 广东省计量科学研究院（华南国家计量测试中心） | 一种水平微纳力值发生装置及生成方法 |
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