CN101244801A - 一种实现共面和离面运动的微驱动结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现共面和离面运动的微驱动结构及其制备方法，本发明微驱动结构包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底、驱动输出端；所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁。本发明不但可以通过梳齿型可动电极与固定电极之间的作用，实现共面X轴方向的移动，而且可以通过可动电极和固定电极的相互作用，实现驱动输出端的离面扭转运动。本发明工艺过程简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可用于实现功能更强大的微光集成系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动结构及其制备方法，特别是关于一种可以实现共面和离面运动的微驱动结构及其制备方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)在国防和民用领域有着广泛的应用前景，是现在备受瞩目的新兴技术。微驱动器作为实现微操作的关键驱动部件，是微机电系统的核心。在微机电系统中，微驱动器能通过平面运动和离面运动共同实现多维运动功能。多维运动微驱动器在微机电系统中有着重要而广泛的应用前景，例如，相对于基于单维运动驱动器的传感器，基于多维运动驱动器的传感器(如多维位置传感器、多维力传感器和多维加速度计等)能获取多维度、多层次的信息，能使传感器性能大幅提高；基于多维运动驱动器的超精密微机器人能方便地实现多维运动组合，从而大大提升超精密加工、检测和装配等的技术水平。因此，实现高性能多维运动微驱动器对微机电系统的发展具有重大作用。
静电驱动由于具有结构简单、响应时间短和功耗小等优点，在微执行器中得到了广泛的应用。静电驱动能利用电荷间的吸引力作用驱动而产生平面或离面的运动。目前，静电驱动方式受驱动原理和工艺技术限制，驱动结构普遍只可实现单一的共面或离面运动，很难同时实现共面和离面运动，从而大大限制了器件的性能和应用领域。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以实现共面和离面运动的微驱动结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：它包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底和驱动输出端；所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁，所述折叠横梁包括通过短梁连接所述两可动电极的通梁，通过锚点悬浮固定在所述玻璃衬底上的折叠梁；所述组合扭转梁包括多个支梁，其中两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接两可动电极的外侧；另两所述支梁的一端连接所述两可动电极的内侧，另一端连接驱动输出端的尾部两侧，再两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接所述驱动输出端的尾部。
所述组合扭转梁与所述折叠横梁可以是单端不等高梁。所述单端不等高的组合扭转梁可以与所述折叠横梁的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁。所述单端不等高的组合扭转梁也可以与所述折叠横梁的底部平齐，顶部低于所述折叠横梁。
所述组合扭转梁与所述折叠横梁也可以是双端不等高梁。
所述组合扭转梁与所述折叠横梁为单端不等高梁时，主要采用以下制备工艺：
(1)采用双抛N型(100)硅片；
(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蚀深槽，所述深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；
(3)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；
(4)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；
(5)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；
(6)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；
(7)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。
所述组合扭转梁与所述折叠横梁为双端不等高梁时，主要采用以下制备工艺：
(1)采用双抛N型(100)硅片；
(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，深槽的深度定出折叠横梁与组合扭转梁的下端高度差；
(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩模为掩模刻蚀硅片形成深槽，深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；
(4)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；
(5)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；
(6)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；
(7)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；
(8)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在微驱动结构中同时采用梳齿型静电驱动子部件和平行板型静电驱动子部件的设计，不但可以通过梳齿型可动电极与固定电极之间的作用，实现共面X轴方向的移动，而且可以通过可动电极和固定电极的相互作用，实现驱动输出端的离面扭转运动。2、本发明在微驱动结构中采用单晶硅材料制作，可以大大减小结构的内应力，提高器件结构的质量。3、本发明微驱动结构可以采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，且工艺过程简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可实现功能更强大的微执行系统和微传感系统等微光集成系统。
附图说明
图1是本发明立体结构示意图
图2是本发明平面结构示意图
图3为本发明组合扭转支撑梁结构示意图
图4a～图4b是本发明实现光开关功能的工作原理示意图
图5a～图5b是本发明实现光衰减功能的工作原理示意图
图6a～图6f是本发明采用单端不等高支撑梁的微驱动结构制备过程示意图
图7a～图7b是本发明采用双端不等高支撑梁的微驱动机构制备过程示意图
具体实施方式
如图1～3所示，本发明微驱动结构包括固定电极1、2、3，可动电极4、5，支撑梁6、7，玻璃衬底8和驱动输出端9。
固定电极1、2为相对设置在玻璃衬底8的顶面两侧的四组梳齿式电极，与其对应，两个可动电极4分别梳齿插设在两侧的固定电极1、2之间，形成两个梳齿型静电驱动器。固定电极3为一平板式电极，其固定在玻璃衬底8的中部，两可动电极5亦为平板式电极，其分开一距离位于固定电极3的上方，与固定电极3之间具有一定空间间距，形成一平板型静电驱动器。
支撑梁包括折叠横梁6和组合扭转梁7，折叠横梁6包括四个通过锚点61悬浮连接在固定电极3两侧玻璃衬底8上的折叠弹簧梁62，一根连接两个梳齿型静电驱动器可动电极4的通梁63，通梁63通过两个短梁64分别连接对应设置的两对折叠弹簧梁62，在通梁63的中部设置有连接组合扭转梁的三个结点65、66、67。
组合扭转梁7由六个支梁71、72、73、74、75、76组成，其中，两支梁71、72的一端分别连接结点65、67，另一端分别连接两可动电极5的外侧；两支梁73、74的一端分别连接两可动电极5的内侧，另一端分别连接驱动结构输出端9的尾部两侧，两支梁75、76的两端分别连接连结点66和驱动输出端9的尾端，驱动输出端9可以连接各种需要驱动的微结构。
上述实施例中组合扭转梁7与折叠横梁6不但在梁宽度方向相比非常窄，而且在梁厚度方向也有差别，组合扭转梁7与折叠横梁6既可以制作成单端不等高梁，又可以制作成双端不等高梁。单端不等高梁为组合扭转梁7与折叠横梁6底面(或顶面)平齐，顶面(或底面)不等高，双端不等高梁为组合扭转梁7与折叠横梁6顶面和底面都不平齐。
本发明的微驱动结构可以实现共面水平方向的移动，如图4a所示，当可动电极4与固定电极1、2相互作用，使两可动电极4同步向左运动时，由于可动电极4与折叠横梁6、组合扭转梁7、可动电极5和驱动输出端9连成一体，因此驱动输出端9便会与可动电极4一起沿X轴向左运动。如图4b所示，当可动电极4与固定电极1、2相互作用，使可动电极4向右运动时，驱动输出端9便会与可动电极4一起沿X轴向右运动，从而实现本发明微驱动结构的共面水平X轴方向的移动输出。
同时，本发明微驱动结构还可以实现离面的扭转运动，如图5a所示，由于折叠横梁6的结构比较粗大，刚度也大，组合扭转梁7的结构非常细小，刚度也较小，因此当两个可动电极5和固定电极3相互作用，使可动电极5在Z方向做离面(向下)运动时，折叠横梁6刚性大基本不会发生移动，相当于固定梁，而组合扭转梁7的各支梁刚性小，其中两支梁71、72在可动电极5的带动下会以折叠横梁6的两结点65、67为轴，作顺时针方向转动(如图5b所示)，另两支梁73、74在可动电极5的带动下，会带动驱动输出端9和两支梁75、76以折叠梁6的结点66为轴，作逆时针方向转动，该转动使驱动输出端9向上移动，从而实现本发明微驱动结构的离面扭转运动。
下面是本发明微驱动结构的制备工艺，其分为两种情况：
实施例1：制作单端不等高支撑梁的微驱动结构时，主要采取以下工艺：
1、起始材料采用双抛N型(100)硅片11(如图6a所示)，厚度为400±10微米；
2、在硅片11上形成氧化硅掩膜12，然后刻蚀深槽13，深槽13的深度定出玻璃衬底上的固定电极3和可动电极5之间的间隙；
3、如图6b所示，去除氧化硅掩膜12，硅片11表面采用离子注入或扩散工艺掺杂硼14，以形成欧姆接触；
4、如图6c所示，在玻璃衬底8上制作金属电极15，作为微驱动结构的引线电极；
5、如图6d所示，将玻璃衬底8和硅片11进行阳极键合，并将硅片1 1减薄到固定电极1、2、3需要的厚度；
6、在硅片11上形成氧化硅掩膜16，再在氧化硅掩膜16表面形成光刻胶掩膜17(如图6e所示)，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜17为掩模刻蚀深槽18(如图6f所示)，深槽18的深度定出组合扭转梁7上端与折叠横梁6上端的高度差(如图6g所示)，同时也是组合扭转梁7上端与其它部件上端的高度差；
7、去除光刻胶掩模17，以氧化硅掩模16为掩模刻蚀释放结构，形成单端不等高支撑梁，完成单端不等高支撑梁的微驱动结构的制备。
实施例2：制作双端不等高支撑梁的微驱动结构时，主要采用以下工艺：
1、起始材料采用双抛N型(100)硅片11(如图6a所示)，厚度为400±10微米；
2、首先在硅片11上形成氧化硅掩膜19，再在氧化硅掩模19表面形成光刻胶掩膜20(如图7a所示)，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶20为掩模刻蚀深槽21(如图7b所示)，深槽21的深度定出组合扭转梁7与折叠横梁6(包括71，72，73等梁)的下端高度差(如图7c所示)；
3、去除光刻胶掩模20，以氧化硅掩模19为掩模刻蚀硅片11形成深槽22，深槽22的深度定出玻璃衬底上的固定电极3和可动电极5之间的间隙；
4、然后按照实施例1中的步骤3～步骤7进行，完成双端不等高支撑梁的微型光器件的制备(如图7d所示)。
上述制作单端不等高支撑梁的微驱动结构时，如果单端不等高的组合扭转梁7与所述折叠横梁6的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁6时，可以参照上述两工艺实施例，对工艺进行个别调整，即可实现，在此不再赘述。
上述各实施例仅为说明本发明而列举，凡在本发明技术方案的基础上进行的等同变化，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (7)
1、一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：它包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底和驱动输出端；
所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；
所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；
所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁，所述折叠横梁包括通过短梁连接所述两可动电极的通梁，通过锚点悬浮固定在所述玻璃衬底上的折叠梁；所述组合扭转梁包括多个支梁，其中两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接两可动电极的外侧；另两所述支梁的一端连接所述两可动电极的内侧，另一端连接驱动输出端的尾部两侧，再两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接所述驱动输出端的尾部。
2、如权利要求1所述的一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：所述组合扭转梁与所述折叠横梁为单端不等高梁。
3、如权利要求2所述的一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：所述单端不等高的组合扭转梁与所述折叠横梁的底部平齐，顶部低于所述折叠横梁。
4、如权利要求2所述的一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：所述单端不等高的组合扭转梁与所述折叠横梁的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁。
5、如权利要求1所述的一种实现共面和离面运动的微驱动结构，其特征在于：所述组合扭转梁与所述折叠横梁为双端不等高梁。
6、如权利要求1～3所述的一种实现共面和离面运动的微驱动结构的制备方法，其主要包括以下工艺：
(1)采用双抛N型(100)硅片；
(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蚀深槽，所述深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；
(3)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；
(4)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；
(5)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；
(6)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；
(7)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。
7、如权利要求1或5所述一种实现共面和离面运动的微驱动结构的制备方法，其主要包括以下工艺：
(1)采用双抛N型(100)硅片；
(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，深槽的深度定出折叠横梁与组合扭转梁的下端高度差；
(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩模为掩模刻蚀硅片形成深槽，深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；
(4)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；
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