CN103552978B

CN103552978B - 一种偏转式助回复型mems悬挂梁结构

Info

Publication number: CN103552978B
Application number: CN201310565071.1A
Authority: CN
Inventors: 唐洁影; 王磊; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: CN103552978A

Abstract

本发明公开了一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，包括衬底、静电下拉电极、锚区、悬挂主梁以及两个对称分布的弯折支撑梁。所述弯折支撑梁分别与悬挂主梁的两纵端相连，且由纵梁和横梁构成，其中每组纵梁均采用双根并列式设计；所述悬挂主梁通过锚区和弯折支撑梁悬挂在衬底上方。工作中，若悬挂主梁因粘附而无法从“down”态顺利回复到“up”态时，通过对弯折支撑梁中的各纵梁组进行选择性通电，使电流流经的纵梁受热产生线性膨胀，这样连接悬挂主梁两端的弯折梁将产生大小相同但方向相反的横向移动，形成对悬挂主梁的偏转作用，该偏转力有助于悬挂主梁克服衬底的粘附而回复到“up”态。

Description

一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构

技术领域

本发明涉及一种微机械系统（文中简称MEMS）加工和使用过程中的可靠性处理技术的领域。具体来说，涉及一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构。

背景技术

近年来，随着MEMS（MicroElectric-MechanicalSystem）工艺、器件和系统研究的日益成熟，MEMS产品的市场规模逐步拓展。可靠性作为产品化进程中的关键问题受到设计者和用户的更多关注。

MEMS中常用到一些梁、膜或质量块等基本结构，这些结构的表面积相对体积而言非常大，并且与衬底的间距很小，只有几个微米。在表面力的作用下很容易导致梁或膜变形向衬底弯曲发生粘附。因此，在微米特征尺度下，表面力（如表面粘附力、摩擦力等）对器件性能的影响将发挥越来越重要的作用，表面粘附常常导致器件彻底失效，使微结构达到难以分开的地步。因此，MEMS微结构在制备时无法顺利释放或在使用中因一些意外过载都可能导致粘附。面对这样的问题，常规的MEMS结构难以解决，造成器件无法工作。为此，本发明在设计中加入解除粘附的考虑，利用选择性欧姆加热对粘附梁形成偏转作用，以帮助微梁脱离衬底而回复到悬挂状态。这样的设计改进能够有效地提高MEMS器件的利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构。该结构能够利用欧姆加热在悬挂主梁上产生一个偏转力，帮助悬挂主梁克服衬底的粘附，从“down”态（下拉态）顺利地回复到“up”态（悬挂态）。同时本发明还公开了该偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构的具体工作方式，结构简单、方便可行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，包括衬底、位于衬底上的锚区、悬挂主梁、固定连接在衬底顶面且位于悬挂主梁正下方中部的静电下拉金属电极，该结构还包括两根弯折支撑梁，该弯折支撑梁分别由一根与悬挂主梁末端垂直连接的横梁和与该横梁垂直连接的四根纵梁组成，所有纵梁尺寸相同且末端连接在位于悬挂主梁两侧的锚区上；所述静电下拉电极上涂覆有防止悬挂主梁与下拉电极接触时发生短路的介质薄层。

工作中，若悬挂主梁因粘附而无法从“down”态顺利回复到“up”态时，通过对弯折支撑梁中的各纵梁组进行选择性通电，使电流流经的纵梁受热膨胀，而无电流流过的纵梁则长度不变。这样，长短不同的纵梁组形成对悬挂主梁的偏转作用。该偏转力有助于悬挂主梁克服衬底的粘附而回复到“up”态。本发明还公开了偏转式助回复的具体工作方式，方法简单、切实可行。

上述偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，偏转式助回复的工作原理及工作方式如下：

1）工作中，若悬挂主梁因粘附而无法从“down”态顺利回复到“up”态时，按预先设计对弯折支撑梁中的各纵梁组进行选择性通电。其中,电流流经的纵梁受热产生线形膨胀，而无电流流过的纵梁则长度不变。

2）各纵梁一端由锚区固定，另一端与弯折梁中的横梁连接，可动。因此纵梁受热向可动端延伸。这样，选择性通电后，长度不等的纵梁组使得左右两端的弯折梁产生大小相同但方向相反的横向移动，使主梁受到偏转力的作用。

3）主梁上施加的偏转力将减弱主梁与衬底电极之间的粘附，帮助主梁从“down”态回复到“up”态。

4）悬挂主梁脱离衬底后，断开弯折梁上的电流，恢复正常状态。

MEMS可动梁在加工和使用过程中常因粘附而发生意外失效，本发明从结构改进入手，提出一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构。若悬挂主梁因粘附而无法从“down”态顺利回复到“up”态时，通过对弯折支撑梁中的各纵梁组进行选择性通电，形成对悬挂主梁的偏转作用。该偏转力有助于悬挂主梁克服衬底的粘附而回复到“up”态。本发明解除粘附的方法简单、方便可行，且对加工工艺无额外要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中衬底顶面示意图；

图中有：衬底1、下拉电极2、锚区31～38、悬挂主梁4、组成弯折支撑梁的纵梁71～74和81～84，以及横梁5和6。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，其特征在于：所述结构包括衬底1、静电下拉电极2、锚区31～38、悬挂主梁4以及两个对称分布的弯折支撑梁。所述一个弯折支撑梁由横梁5和并行排列的纵梁71～74构成，另一个弯折支撑梁由横梁6和纵梁81～84构成，所有纵梁尺寸相同；所述弯折支撑梁中的横梁5和6分别与悬挂主梁4的两纵端相连接，悬挂主梁4通过存在于两端的锚区和弯折支撑梁悬挂在衬底1上方；所述衬底1顶面上的静电下拉电极2涂覆有介质薄层，位于悬挂主梁4的正下方中部。

该悬挂梁结构中的衬底1可以使用单晶硅或砷化镓等材料。悬挂主梁4和两端对称分布的弯折支撑梁材料相同，可以是掺杂的多晶硅或单晶硅，也可以是金属。下拉电极2为金属材料（金或铝），金属表面沉积一层薄介质层，可以是SiO₂或SiN，以防止悬挂梁与下拉电极接触时发生短路。本发明的结构采用常规MEMS加工工艺即可完成。

上述一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，其偏转式助回复的工作方式如下：

1）在制备或工作中，若悬挂主梁4与衬底电极2接触后，因粘附而无法从“down”态顺利回复到“up”态时，可对弯折支撑梁中的各纵梁组进行选择性通电，如在锚区31和32之间，以及锚区37与38之间施加相同大小的电压（约为10V，具体视纵梁材料参数和几何参数而定），从而使纵梁71和72以及纵梁83和84均有电流流过。

2）弯折梁中的纵梁一端被锚区固定，另一端与弯折梁中的横梁连接，可动。例如，左侧弯折梁的纵梁71的一端由锚区31固定，另一端与横梁5连接，可动。同样，纵梁72、73、74分别与锚区32、33、34连接，另一端与横梁5连接。另外，右侧弯折梁的连接状态与左侧类似。因此，欧姆加热使纵梁71和72以及纵梁83和84产生线性膨胀，并向着可动端伸展。而另外四根纵梁73和74以及纵梁81和82无电流通过，仍保持长度不变。这样，左右两端的弯折梁产生大小相同但方向相反的横向移动，使主梁4受到逆时针方向的偏转作用。

3）偏转力将减弱主梁4与衬底电极2之间的粘附，帮助主梁4从“down”态回复到“up”态。

4）悬挂主梁4脱离衬底后，终止锚区31和32之间，以及锚区37与38之间的电压加载，恢复正常状态。

注意到，选择另两组纵梁通电，可以形成对主梁4顺时针方向的偏转作用。在实际操作中，可以采用逆时针偏转或顺时针偏转，也可以逆时针偏转和顺时针偏转交替使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种偏转式助回复型MEMS悬挂梁结构，包括衬底（1）、位于衬底上的锚区、悬挂主梁（4）、固定连接在衬底（1）顶面且位于悬挂主梁（4）正下方中部的静电下拉金属电极（2），其特征在于：还包括两根弯折支撑梁，该弯折支撑梁分别由一根与悬挂主梁（4）末端垂直连接的横梁（51、61）和与该横梁垂直连接的四根纵梁（52、53、54、55、62、63、64、65）组成，所有纵梁尺寸相同且末端连接在位于悬挂主梁（4）两侧的锚区（31、32、33、34）上；所述静电下拉电极（2）上涂覆有防止悬挂主梁与下拉电极接触时发生短路的介质薄层。