CN101164005A - 非接触静电驱动的mems器件 - Google Patents

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CN101164005A CNA2006800134160A CN200680013416A CN101164005A CN 101164005 A CN101164005 A CN 101164005A CN A2006800134160 A CNA2006800134160 A CN A2006800134160A CN 200680013416 A CN200680013416 A CN 200680013416A CN 101164005 A CN101164005 A CN 101164005A
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    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
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Abstract

本发明提供了一种具有减少的静摩擦的微机电系统(MEMS)器件(200)。MEMS器件包括成形在衬底上的中央电极(216)和一对外部电极(220)。中央电极包括多个延伸部，所述延伸部限定了多个散置在所述延伸部(218)中的凹槽(221)。外部电极包括多个位于中央电极的凹槽内的多个延伸部。

Description

非接触静电驱动的MEMS器件
技术领域
【0001】本发明涉及微机械系统(MEMS)器件比如数字微镜器件(DMD)；并且更具体地涉及减少此类器件中的静摩擦的方法和设备。
背景技术
【0002】微机电系统(MEMS)器件是小型结构，其通常利用诸如光刻、掺杂、金属溅射、氧化物沉积和等离子体蚀刻的技术被制造在半导体晶片上，所述技术已发展用于集成电路的制造。数字微镜器件(DMD)(有时被称为可变形的微镜器件)是一种类型的MEMS器件，其通过经反射对光进行控制而用于投影显示中。其它种类的MEMS器件包括加速计、压力和流量传感器以及传动装置和马达。
【0003】常规的DMD100示于图1中。如所示的，DMD100由三个金属层构造：顶层102、中间层104和底层106。这三个金属层位于提供电命令和电信号的集成电路(未示出)上。顶层102包括像素镜108，其位于中间层104上方并由镜支柱110加以支撑。中间层104依次位于底层106上方并由四个铰链支柱112加以支撑。顶层102的镜支柱110连到轭状物114。当轭状物114在扭转铰链118上旋转时，其驱动镜支柱110相应地旋转和倾斜。因而，随着镜支柱110旋转和倾斜，其支配着像素镜108将旋转和倾斜的角度、方向以及大小。其实，轭状物114通过这个传递效应来控制像素镜108。
【0004】与常规的MEMS器件比如DMD100相关的一个问题是“静摩擦”，其在轭状物114在扭转铰链118上旋转并且轭承接端(landing tip)116与位于下面底层106内的承接区120接触时发生。在一些情况下，当表面附着力足够高时，轭承接端116可能粘到下面底层106中的承接区120，从而有害影响像素镜108的响应时间并影响整体的器件性能。在其它情况下，承接端116可能粘附到承接区120，并且如果所施加的机械恢复力不足够强以克服存在的表面附着力则该承接端116保持粘住。然后，像素镜108将被视为有永久缺陷，因为其将保持固定在仅一个角度。
【0005】迄今，已经通过将润滑油或钝化层涂敷到轭承接端116和承接区120以希望能使这些金属表面足够光滑以使粘附最少，来处理静摩擦。此外，已采用复位电子组件122来把另外的电能供给轭状物114，以便帮助其摆脱轭承接端116和承接区120之间的约束的表面附着力。这些技术需要额外的制造工艺和附加的成本。
发明内容
【0006】本公开内容涉及微机电系统(MEMS)器件，并更具体地涉及静电驱动的数字微镜器件(DMD)，其防止或至少减少静摩擦。中央电极包括初始形成在衬底上的散置的延伸部。具有散置的延伸部的两个外部电极随后形成在衬底上，使得这两个外部电极位于中央电极的两侧。中央电极和外部电极的延伸部是相互交叉的，由此施加到外部电极的低偏压在中央电极上产生静电力，使得形成在中央电极的顶部上的像素镜可以自由地移动、旋转和倾斜。
附图说明
【0007】图1是现有技术的数字微镜器件(DMD)的分解图；和
【0008】图2是根据本发明的DMD的分解图。
具体实施方式
【0009】参照图1的常规数字微镜器件(DMD)，像素镜108根据轭状物的倾斜和旋转而倾斜和旋转。实际上，像素镜108还由于像素镜108和镜地址电极(address electrode)113之间的电场所产生的静电力以及轭状物114和轭地址电极121之间所产生的场而倾斜和旋转。电信号从底下的集成电路(未示出)被馈给并传送经过金属接触孔。
【0010】现在参照图2，其图解说明了根据本公开内容的数字微镜器件(DMD)200。DMD 200包括顶层202、中间层204和底层206。如图所示，顶层202包括像素镜208，该像素镜208连接到向下延伸的镜支柱210。该镜支柱210适于与形成在中间层204中的相应的柱接收孔211接合，这将进一步进行描述。在一些实施例中，像素镜208具有大约2000到5000埃的厚度并且利用已知的方法和技术由铝构成。优选地，本公开实施例的像素镜208的厚度大约为3300埃。除了铝之外，其它材料比如二氧化硅、氮化硅、多晶硅和磷硅酸盐玻璃(PSG)也可以用于构造像素镜208。在一些实施例中，镜支柱210的厚度大约为500到1000埃并用已知的方法和技术由铝合金构成。镜支柱210还可以由铝、钛和硅金属合金形成。优选地，本公开实施例的镜支柱210的厚度大约为700埃。
【0011】位于顶层202下面的中间层204包括由多个轭支柱214支撑的轭状物212。轭支柱214可以依照与镜支柱210相同或相似的材料和方法而形成。而且，轭支柱214还可以具有与镜支柱210相同或相似的厚度。中间层204还包括柱接收孔211，其可以用已知的材料和方法来形成。
【0012】位于中间层204下面的底层206包括轭地址电极216和镜地址电极220。底层206进一步包括接触垫224，其配备用来容纳轭支柱214。更进一步，底层206包括由轭地址电极216隔开的一对金属接触开口217。当然，可以考虑其它的金属接触开口设置，例如附加的金属接触开口和替代配置的金属接触开口。来自位于底层206下的集成电路(未示出)的电信号和连接可以通过这对金属接触开口217被发送到轭地址电极216或镜地址电极220中。集成电路可以是静态随机存取存储器(SRAM)单元或集成的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。在其它实施例中，集成电路可以是多芯片模块(MCM)，其中许多器件通过将一个堆叠在另一个上被共同装配成单个模块，用于具有额外功能的更快电子器件。
【0013】轭地址电极216通常位于底层206的中间部分并且两个外部镜地址电极220位于其两侧。轭地址电极216包括多个散置的延伸部218，从而限定了多个散置的凹槽221。在一个实施例中，此多个散置的延伸部218位于轭地址电极216的相对横向侧。横向设置的镜地址电极220的多个相应的散置的延伸部222位于这多个凹槽221内。因此，延伸部218、222基本上相互交叉以形成梳状结构。在一些实施例中，轭地址电极216和这两个镜地址电极220的厚度是大约500到3000埃。优选地，在本公开的实施例中的轭地址电极216和这两个镜地址电极220的厚度是大约1500埃。另外，散置的延伸部218、222可具有相应的大约20微米的宽度和长度以及大约500埃到大约3000埃的厚度。优选地，散置的延伸部218、222的厚度在本公开的实施例中是大约1500埃。更进一步，散置的延伸部218、222之间的间距可以从大约5微米变化到10微米。优选地，散置的延伸部218、222之间的间距在本公开的实施例中是大约7.5微米。
【0014】虽然散置的延伸部218、222在形状上描绘为方形，但是它们可以采用各种多边形的形状和大小。例如，散置的延伸部218、222的形状可以是长方形、三角形、平行四边形、菱形、梯形或者任何其它合适的形状。此外，散置的延伸部218、222还可以采用平面曲线的形状比如圆、半圆、椭圆、半椭圆、直线、抛物线或双曲线。而且，散置的延伸部218、222可被均匀地隔开或者不均匀地隔开，以及在形状和大小上是均匀的或是不均匀的。还可以考虑形状和大小的均匀和非均匀的组合。
【0015】DMD 200的一个好处是通过在延伸部218、222之间产生的静电力量实现的。具体而言，由于另一带电物体Q2的存在而作用在带电物体Q1上的静电力可以由库仑定律(F＝k×Q1×Q2/d2)进行计算，其中k是常数而d是物体之间的距离。带电物体Q的大小可以通过将表面密度σ乘以带电物体的表面积A(Q＝σA)计算。因此，静电力F随带电物体的表面积A成比例变化(FαA)。当与常规的DMD比如图1的DMD 100相比时，DMD 200具有更大的表面积。更具体地，散置的延伸部218，222增加了DMD 200的电极的表面积，从而有助于产生比常规DMD 100的静电力更大的静电力。
【0016】实际上，静电场是由脉冲调节镜地址电极220而产生的。所产生的电场然后产生使像素镜208倾斜或旋转的静电力。与常规的DMD100(其中像素镜108可能在倾斜或旋转期间经受静摩擦)不同，该DMD200可以产生大得多的静电力，从而消除或至少减少像素镜208粘住DMD 200的下层的可能性。此外，所增加的静电力消除了对复位电子组件的需要。
【0017】本发明涉及的本领域普通技术人员会明白本发明可以以其它具体形式来实现，而不偏离所要求保护的发明的范围。例如，DMD 200可以通过表面微加工进行制造，其中这些结构以薄膜层形成在硅晶片或任意其它合适衬底的表面上。另一种制造DMD的技术是体微加工。另外，本公开的实施例还可以应用于MEMS器件，用于生物蛋白和基因功能的研究和理解。因此，所公开的实施例仅仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (7)

1.一种微机电器件，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的第一电极，所述第一电极具有多个隔开的延伸部，所述延伸部从所述第一电极的相对侧延伸，所述隔开的延伸部限定了多个散置在所述延伸部中的凹槽；
一对附加的电极，其形成在所述衬底上，邻近所述第一电极的所述相对侧，所述附加的电极具有位于所述凹槽内的多个隔开的延伸部，所述凹槽限定在所述第一电极的相对侧。
2.根据权利要求1所述的器件，进一步包括操作地固定于所述衬底的轭状物。
3.根据权利要求2所述的器件，进一步包括操作地固定于所述轭状物的镜子。
4.根据权利要求3所述的器件，所述轭状物具有形成于其中的凹槽，并且所述镜子具有向下延伸的柱，用于与形成在所述轭状物中的所述凹槽接合。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的器件，其中所述多个延伸部中的至少一个延伸部具有多边形的几何形状。
6.一种微机电器件，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的第一电极，所述第一电极具有从所述第一电极的第一部分延伸的至少一个延伸部和从所述第一电极的第二部分延伸的至少一个延伸部，所述第二部分与所述第一部分大体相对；
形成在所述衬底上的第二电极，其大体邻近所述第一电极的所述第一部分，所述第二电极具有向所述第一电极延伸的至少一个延伸部；以及
形成在所述衬底上的第三电极，其大体邻近所述第一电极的所述第二部分，所述第三电极具有向所述第一电极延伸的至少一个延伸部。
7.一种减少与微机电器件的操作相关的静摩擦的方法，包括：
形成微机电器件以包括第一电极和位于所述第一电极两侧的一对电极，所述第一电极与这对电极经由多个延伸部对接，所述多个延伸部位于限定在这对电极中的多个凹槽内；
由此，在所述第一电极和这对电极之间的界面处所限定的表面积产生足够大的静电力，以克服与所述微机电器件的操作相关的表面附着力。
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