CN101279712B - 生成微机械结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生成微机械结构的方法，首先在基片中形成二维结构。此二维结构通过力的作用从基片偏转并被固定在偏转状态。

Description

生成微机械结构的方法

技术领域

本发明涉及一种通过从基片或晶片平面机械向前偏转二维结构和随后将该二维结构固定在偏转状态而生成微机械三维结构的方法。

背景技术

已知的从晶片平面偏转结构的方法例如利用基片材料或基片组合层的内部材料张力，用于在限定位置弯曲基片。弯曲可以导致从基片倾斜或偏转所述结构。材料张力在材料对中是固有的或是例如通过所谓的作用器外加的，所述作用器例如根据压电、静电或热原理工作。借助内部材料张力，在此过程中完成的偏转是静态的。通过所谓的材料的蠕变或漂移(drift)的产生，偏转会随时间变化。作为多层材料组合的不同热膨胀系数的结果，显著的温度变化影响进入角(enteringangle)，由此生成了器件结构。具有作用器的二维结构的偏转基于作用器控制和系统的长期稳定性。通过作用器系统的二维元件的静态偏转需要与作用器的能量引入联系起来。然而，作为惯例，由材料张力造成的基片曲率很小。此外，巨大的空间需求导致在基片上积聚材料张力并实现所述结构到基片的大的进入角。这些会被基片的局部变薄放大，然而这会削弱将被偏转的结构的机械可压性(stressability)且可能产生低频振动模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造微机械结构的方法，所述微机械结构避免了上述已知技术的缺点。

为实现本发明的目的，根据本发明的实施例，本发明提出了一种制造微机械结构的方法，所述方法包括步骤：在基片内形成二维结构；通过力的作用使所述二维结构从基片平面偏转；和将所述二维结构固定在偏转状态。

附图说明

下面参照附图详细描述根据本发明的几个优选实施例，其中：

图1是显微技术生成根据本发明实施例的微机械结构的方法的流程图；

图2是图示二维构造的基片的俯视图；

图3是图2中的二维结构的基片的示意性侧视图，具有用于偏转二维结构的微操纵器；

图4是图示图2的基本结构的俯视图，该基本结构补充了平行铰链；

图5是图4的结构的示意性侧视图；

图6是根据本发明另一实施例的结构的示意性侧视图；

图7是图示根据本发明另一实施例的、通过平行铰链延伸的带结构的基片的俯视图；

图8是包括微操纵器末端的图7中的结构的示意性侧视图；

图9是图示根据本发明另一实施例的具有双压电晶片梁(bimorph beam)的带结构的基片的俯视图；

图10是图9的结构的示意性侧视图；

图11是图示根据本发明另一实施例的包括四杆铰链(four-bar hinge)的带结构的基片的俯视图；和

图12是根据本发明另一实施例的图11的二维结构的示意性侧视图。

具体实施方式

参照图1中的流程图，图1中的流程图详细描述了制造二维元件的三维微机械结构的方法。所述方法包括在基片中形成二维结构的步骤2，通过力的作用从基片表面偏转所述二维结构以便形成三维结构的步骤4，以及将所述二维结构固定在偏转状态的步骤6。

所有以平面技术和体积细观力学(volume micromechanics)制造的结构(其在从基片平面偏转并被在那里固定后，形成具有基片的三维结构)被称为二维结构。本发明可以允许以对基片的大的进入角和/或偏移偏转结构，以及后来将该结构固定在偏转状态。即，它对基片平面或晶片平面展现了第三维。这也可用于例如实现具有三维电极结构的静电驱动器，所谓的有角垂直梳(angular verticalcomb)AVC，或交错垂直梳(staggered vertical comb)SVC，其可以在很大的平移或旋转区域上在晶片平面外产生力和力矩。这些驱动器对很多微系统有用，特别是对用于图像投影的微扫描器。由此构造的静电驱动器适于例如使得振动形式的线性化或在静态作用器位置之间连续转换。

在基片中形成二维结构可以发生在晶片平面上，例如，硅晶片上。二维结构可以在基片或晶片内形成或制造为二维结构被释放，即可偏转并通过固定轴承仍然连接到晶片。例如可以通过所谓的绝缘体上硅结构(SOI)技术制造二维结构，并且在蚀刻硅层后固定轴承会因此保持在氧化层的下面。因此，在构成制造和释放后，二维结构可以通过为此目的设置的固定轴承仍然保留在基片中。固定轴承可以决定用于从平面中抽出所述结构的自由度。当由于通过力的作用从基片平面偏转二维结构以形成三维结构时，力的导入会使得二维器件或二维结构根据其轴承将二维设备移位，倾斜或转动出晶片平面。

二维结构可以以不同的方法从基片平面偏转。可以设想的是：偏转结构所需的力和力矩可以通过内部材料张力，通过所谓的作用器、微操纵器的力效应或力矩效应，通过外力场效应或在基片和二维结构之间相对加速而施加。

内部材料张力可以通过选择适当的材料层组合，例如二氧化硅和硅(SiO₂/Si)，而在二维结构的制造过程中在器件中产生。这些结构可以是所谓的双压电晶片结构，例如通过选择包括不同热膨胀系数的适当的材料层组合，其在加热时产生变形。为了避免二维结构在制造过程中偏转或摇摆出(swing-out)，补充(secondary)支撑结构可以另外连接到在当前的二维主结构上，所述补充支撑结构然后例如通过破坏、熔化，通过选择性蚀刻或应力加工在微机械器件的制造过程中稍晚的时间点被移除，并且随后由相应的内部材料应力偏转。

借助所谓的作用器不同的工作原理可用于立起二维结构。例如，作用器可根据静电、静磁、电致伸缩、磁致伸缩、压电或热原理运行。也可以设想基于其他物理/化学原理的作用器，该作用器当接收到信号或激发(excitation)时用于执行机械操作。

也可以设想的是，通过力的作用使二维结构从基片平面偏转以形成三维结构的步骤4利用所谓的微操纵器执完成。当借助微操纵器得到(extract：或抽出形成)三维结构时，微操纵器例如可构造为微夹子(microgripper)，针，心轴，或例如还构造为流体喷嘴或真空吸入夹子。为此目的，二维结构在适当位置可设置有机械接触区域，通过所述机械接触区域，力或力矩可以借助微操纵器施加在器件上。通过力的这个作用，二维结构可以被偏转，旋转，倾斜或移位，并且三维结构可以由此形成。

例如引力可以提供用于偏转二维结构的外力场。也可以设想磁场或电场对具有某些磁性材料或一定电荷的二维结构的产生作用。在另一实施例中，力场由气压场产生。

在基片和垂直可移动二维结构之间的相对加速可由例如垂直加速具有因此形成的二维结构的基片而产生。藉此，力作用在可移动的二维结构上，这会引起二维结构的偏转。

可以主动(positive)方式、不主动方式或整体的方式将所述二维结构固定6在偏转状态。将二维元件保持或阻止在偏转状态的机械钩或闩锁(latch)可以用作主动固定方法。例如，胶粘、粘结、软焊、焊接或形成合金可以用作整体固定方法。通过粘附力，夹紧力和摩擦力，偏转的二维元件可以不主动的方式安装。

利用形成有结构的晶片平面或基片平面，在将二维结构最终固定在偏转状态后，二维元件形成了三维元件或三维器件或结构。通过上述的制造三维结构的方法，仅在完成制造过程之后，二维结构可以形成为三维结构。即在整个制造过程中它们可以保留在基片平面中，这是它们在进一步的制造过程中得到更好的保护而免受损害的原因。通过选择用于偏转二维结构的方法或通过选择用于引入力或力矩的原理还可以实现二维结构从基片平面的巨大偏转。通过固定在偏转状态，达到了三维结构稳定性的增强。此外，在按照上述方法之一固定之后，不必向系统或设备内输入另外的能量以维持偏转。

图2是显示根据本发明实施例的二维构造的基片10的示意性俯视图。二维构造的基片10具有电极结构，其中第一电极12安置在扭簧14上。反电极(counterelectrode)16通过扭簧18安置在悬臂20上并可通过垂直作用在区域20上的力围绕扭转轴18偏转。区域24不包括任何基片物质并也可例如在基片产生蚀刻的沟槽。例如这可以是由SOI技术制造的结构，且区域24因此可以为通过蚀刻移除的单晶硅区域。因此，框架10可以包括硅。

因此，图2显示了形成在基片中的二维结构，其中在此实施例中，二维单元包括电极结构。图2显示了从二维元件制造反电极的基本原理，其可以从基片平面机械倾斜成三维元件。通过扭转反电极16，具有弯曲反电极的三维电极结构，即AVC结构，由在电极12和16之间的平面二维电极构造产生。

图3是图2中的二维电极结构在偏转以形成三维结构之后的示意性侧视图。图中图示了通过基片10的部分，其中在此实施例中，反电极16通过引入到区域22上的力围绕扭簧18的旋转轴扭转，这是由具有在此形成为心轴的微操纵器26的反电极16(见图2)因此倾斜出基片平面10而导致的。反电极16的机械旋转角可以通过利用例如另外一个基片层28限制垂直冲程(stroke)来限制。在此实施例中，反电极16的旋转角不取决于微操纵器26引入到区域22上(弯曲反电极16或板22)的点(或作用点)的横向偏移。理论上，反电极可以通过另外的元件固定在偏转位置上或可以一体连接到基片28上。

图4显示了具有电极结构的二维构造的基片10的另一实施例。二维结构包括与图2中所描述的相似的基本结构。电极12安置在扭簧14上，扭簧14由基片10形成的框架结构所支撑。对应的反电极16通过扭簧18安置在悬臂20上并可通过垂直作用在区域22上的力围绕扭转轴18偏转。此外，二维电极结构包括另一个扭转铰链30。

图5图示了相关的示意性截面侧视图。例如心轴或针形式的微操纵器，可以在板22上垂直施加力。藉此，通过扭簧30与板22连接的反电极16围绕扭簧18的扭转轴旋转。在与基片28接触时，相对于反电极16围绕扭转轴30旋转，板22在相反的方向上围绕扭转轴30旋转相同的角度。藉此，板22可以理想地平行压在另外一个基片层28上。当微操纵器26将板压在基片28上时，对于微操纵器26的施力点在板区域中的区域-平行的偏移，板22的冲程是不变的。因此板的冲程只与微操纵器的冲程有关。另外的基片层28限制了区域22的垂直冲程，并因此限制了反电极16对基片10和悬臂20的旋转角。如果板被压向另外的基片28，反电极16的角度在几何上清楚地由基片10与另外一个基片层28的垂直间距和杠杆臂与反电极的长度决定。板22现在可以一体地连接到另外的基片28上，例如，这在图5中由粘附层32举例示出。通过粘附力或通过粘结将板与基片28连接也是可行的。

图6显示了三维结构的另一示意性截面侧视图。图6中的三维结构由图5中的三维结构产生，例如通过板22围绕旋转轴30扭转180°角度，并且微操纵器通过凹槽17压在板22上。这两个结构的功能相同。板22又可以通过粘附层32固定在基片28上。

图7显示了具有电极结构的基片中的二维结构的另一实施例。在基片10中的二维结构包括安置在扭簧14上的电极12。反电极16通过扭簧18与悬臂20相连并且通过扭簧30与板22相连。此外，板22通过另外一个扭簧34安置到杠杆臂36上，所述杠杆臂36通过另外一个扭簧38被支撑在悬臂20上。在扭簧18和30之间的杠杆臂与在扭簧38和34之间的杠杆臂相同。因此，在图7中的二维结构包含图2中描述的基本结构，其补充有平行铰链。

图8显示了图7的截面侧视图。微操纵器26在板22上垂直施加力。藉此，反电极16和悬臂36围绕扭簧18和38的扭转轴旋转。相对于反电极16与杠杆36围绕扭转轴30和34旋转，板22在相反的方向上围绕扭转轴30和34旋转相同的角度。藉此，区域22保持与悬臂20和另一基片28平行。对于微操纵器26在板22的区域内的区域-平行偏移，板22的冲程是不变的。其只与微操纵器26的冲程有关。区域22的垂直冲程可以再次被基片28限制并且因此反电极16对于基片28和悬臂20的旋转角度被限制。如果板22被压向基片28，反电极16的角度在几何上清楚地由悬臂20到基片平面28的垂直间距和由电极16与36给出的杠臂的长度决定。现在，板22可以例如通过胶粘一体连接到基片上。

通过将可偏转的二维结构支撑为平行铰链，在通过微操纵器或微致动器偏转结构的过程中，出现由力的引入平行引起的接触区域的平行移位。因而二维结构的绝对倾斜角基本上只与由降低微操纵器结构26而产生的接触区域的平行移位的高度有关。在接触区域22中导入的力的横向位置不起任何作用，因此二维结构产生的倾斜角独立于用于微操纵器的横向调整公差产生。这意味着多个微机械器件也可以同时实现相同的倾斜角，且器件具有很大的再现性以及更好的对称性。

图9图示了根据本发明另一实施例。图9包含图2的基本结构并且补充有具有双压电晶片杠杆臂的平行铰链。反电极16通过支架40与双压电晶片梁42锚定。双压电晶片梁或者杠杆42通过支架43支撑在悬梁20上及通过扭簧30支撑在板22上。板22通过扭簧34另外与双压电晶片梁44连接。此双压电晶片梁通过支架46支撑在悬梁20上。此外，板22通过脊48支撑在基片上或者框架10上。如果在由绝缘沟槽50电绝缘的框架10和区域52之间施加足够高的电压，脊48会完全熔化。藉此，能够使板22运动。通过双压电晶片杠杆臂42和44的内部材料张力，双压电晶片梁弯曲。板22垂直移出基片平面，或框架平面10并且反电极16对于此平面是倾斜的。

图10是图9的示意性截面侧视图。如果通过支架43和46支撑在悬臂20上的双压电晶片杠杆臂42和44由于其自身内部材料张力而弯曲，它们的自由端将移出基片平面并且与基片平面10形成角度。通过支架40安装有杠杆42的自由端的反电极16与基片平面形成相同的角度。除旋转之外发生了横向偏移，这与杠杆的曲率、杠杆的长度以及支架40在杠杆上的精确位置有关。由于自由杠杆端相对彼此的方位发生变化而相对距离保持不变，相对于围绕扭簧30和34的扭转轴的相关的杠杆臂，板22与自由杠杆端的扭转角相反地旋转。板22保持与基片平面10平行。如果板22通过双压电晶片杠杆臂足够远地偏转，其可以一体地安置在基片28上。

图11包含作为基本结构的电极12和其反电极16。电极12通过扭簧14与基片或框架10相连。利用形成为扭簧的轴承18，38，30，34，反电极16通过四杆铰链22，20，56，54悬挂在基片上，其中杆54的杠杆长度与杆56的杠杆长度相对应。反电极16和与其连接的板22可以垂直降低至标记水平(sign level)，即平行于基片10。三维电极几何结构进一步发展，其中，电极12和反电极16在结构16和22偏转出平面10后形成分层的电极排列，即所谓的SVC。

图12是图10示意性截面侧视图。例如，如果利用微操纵器26将垂直的力施加在板22上，板与平行于悬臂20的反电极16一起下沉。在此，杠杆臂54和56相对于元件20和22扭转。扭簧18和38相对于反电极16到悬臂20的扭转而扭转，并且扭簧30和34相对于反电极16到板22的扭转而扭转。例如偏转可以通过台面结构60来主动限制。台面结构可另外用于将板22一体固定在偏转位置。

本发明所讨论的实施例描述了从在基片内的二维结构生成三维结构的微机械过程方法，其中本方法可以包含三个过程步骤。在基片内制造二维结构，从基片平面立起二维结构以及将二维结构固定在偏转状态，由此它们形成具有基片的三维结构。此外，基片可以包括二维结构，其在晶片化合物(wafer compound)中制造，通过固定轴承从晶片释放和连接到晶片，并且其通过内力或外力、直接力或间接力，或者内力矩、外力矩、直接或间接力矩能够移出晶片平面并且以整体方式、主动方式或非主动方式固定。在从基片释放后，二维结构可以通过双压电晶片杠杆元件的内部材料张力移出基片平面并且以整体方式、主动方式或非主动方式固定在完全偏转的位置上。在从基片释放后，二维结构可以通过微操纵器的作用移出基片平面或偏转并且以整体方式、主动方式或非主动方式固定在完全偏转的位置上。在从基片释放后，二维结构还可以例如通过作用器从基片平面偏转，并且以整体方式，主动方式或非主动方式固定在完全偏转的位置上。在从基片释放后，二维结构可以通过外力场的作用从基片平面偏转并且以整体方式、主动方式或非主动方式固定在完全偏转的位置上。如上所述，当从加速基片中释放时，二维结构可以并通过其自身质量惯性从基片平面偏转，并以整体方式、主动方式或非主动方式固定在完全偏转的位置上。

例如，可以设想的是，将本方法尤其应用到扫描器镜中以形成用于静电电极驱动器的电极梳，或应用到玻璃封装(glassencapsulated)的光学微系统领域中用于减少入射电磁辐射的反射。例如，对应设计的具有微扫描器的二维结构可以用于当光线束在微扫描器的玻璃罩上被部分反射时，引导被反射的扫描器的光线束到另一个方向。因此，可以避免在微扫描器工作空间内产生的电磁辐射的干扰反射。这在显示器应用中特别有利。

Claims (7)

1.一种制造微机械结构的方法，包括步骤：

在基片(10)内形成(2)二维结构，其中所述二维结构包括电极(12)和反电极(16)；

通过微操纵器(26)机械作用在所述反电极(16)上以使所述反电极(16)偏转出基片平面而抵靠一另外的基片(28)或一台面结构(60)，所述另外的基片(28)或所述台面结构(60)布置成与所述基片(10)间隔开一个距离，该距离取决于所述反电极(16)的期望的旋转角度；和

在所述另外的基片(28)或所述台面结构(60)处将所述反电极(16)固定(6)在偏转状态。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

在基片(10)中释放所述二维结构。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述基片(10)是晶片。

4.如权利要求3所述的方法，其中在所述晶片中的所述二维结构通过固定轴承连接到晶片。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中通过粘结、焊接、形成合金、或机械闩锁，或者通过施加附着力、摩擦力或夹紧力将所述反电极(16)固定(6)在偏转状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过胶粘将所述反电极(16)固定(6)在偏转状态。

7.根据权利要求5所述的方法，其中通过软焊将所述反电极(16)固定(6)在偏转状态。

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