CN107128873A - Mems微驱动器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS微驱动器，该MEMS微驱动器包括形成于衬底上的相互并联连接的第一传输部与第二传输部，同时接收并传输射频信号；形成于由第一传输部与第二传输部围成的区域内的支撑层与下电极，其与驱动信号相连接；形成于下电极上表面的驱动介质层；形成于驱动介质层上表面的上电极，其与接地信号相连接；以及形成于上电极上的第一开关触点与第二开关触点；其中，驱动介质层在驱动信号与所述接地信号产生的电场的作用下发生弹性形变，以使得第一开关触点和第二开关触点分别与第一传输部和第二传输部相接触，从而停止射频信号的传输。该MEMS微驱动器有效提高微驱动器的电传输信号功率处理能力，同时提高开关速度及抗环境干扰的能力。
Description
技术领域
本发明涉及微机电领域，尤其涉及一种MEMS微驱动器及其制作方法。
背景技术
射频(RF)开关是一种可以实现微波射频信号连接和断开的电子器件，可广泛应用在无线通讯、雷达探测、精密测试仪器等。自20世纪90年代以来，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的射频开关因其插损低、隔离度高、功耗和互调产物低(线性度高)等优点，获得了普遍关注，被认为是最有应用前景的MEMS器件之一。
现有MEMS射频开关所存在的主要问题是，开关速度慢、功率处理能力低和驱动电压大等，因而导致其至今未得到广泛应用。随着近年无线通讯技术的蓬勃发展，尤其是大规模无线网络和国防相控阵雷达技术的通讯需要，高速大功率MEMS射频开关成为未来重要的研究发展方向。
对于高速大功率MEMS射频开关，最佳的方法是：在适当的电极间距和条件下，提高有效弹性系数以增加功率处理能力，同时尽可能在较低驱动电压下产生较大驱动力以提高开关速度。因此，开发一种大功率低驱动电压的微驱动器成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种可用于大功率电信号处理的快速响应、低驱动电压微驱动器。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种MEMS微驱动器，包括衬底；形成于所述衬底上的相互并联连接的第一传输部与第二传输部，其配置为同时接收并传输射频信号；形成于由所述第一传输部与第二传输部围成的区域内的支撑层；形成于所述支撑层上表面的下电极，其与驱动信号相连接；形成于所述下电极上表面的驱动介质层；形成于所述驱动介质层上表面的上电极，其与接地信号相连接；以及形成于所述上电极上的第一开关触点与第二开关触点；其中，所述驱动介质层被配置为：在由所述驱动信号与所述接地信号产生的电场的作用下发生弹性形变，以使得所述第一开关触点和第二开关触点分别与所述第一传输部和第二传输部相接触，从而停止所述射频信号的传输。
优选地，所述上电极包括固定区域、对应于所述第一开关触点的第一触点区域以及对应于所述第二开关触点的第二触点区域；其中，所述上电极位于所述第一触点区域的部分与位于所述第二触点区域的部分分别延伸至所述第一传输部与第二传输部的上方；所述上电极位于所述固定区域的部分与所述驱动介质层的上表面固定连接。
优选地，所述第一开关触点与所述第二开关触点对称设置。
优选地，所述上电极包括构成T字型的横向电极和纵向电极，所述第一触点区域与第二触点区域分别位于所述横向电极的两端。
优选地，所述驱动介质层、所述下电极以及所述支撑层具有与所述上电极的固定区域相对应的T字型图案。
优选地，所述第一传输部与所述第二传输部相互对称设置。
优选地，所述驱动介质层为反铁电薄膜。
优选地，在所述驱动介质层与所述上电极之间还设置有粘附层。
优选地，所述反铁电薄膜的厚度为0.5-5μm。
本申请的实施例还提供了一种MEMS微驱动器的制作方法，包括在衬底的上表面上形成第一薄膜材料层；在所述第一薄膜材料层上形成反铁电膜层；图案化所述第一薄膜材料层与所述反铁电膜层，以形成T字型下电极与T字型反铁电梁；在所述衬底与所述反铁电梁上形成并图案化第二薄膜材料层，以形成第一传输部、第二传输部与T字型上电极；在所述衬底的上表面上形成支撑层以及设定深度的窗口区域；在所述T字型上电极上形成分别延伸至所述第一传输部与第二传输部的上方的第一触点区域与第二触点区域；在所述衬底的下表面形成对应于所述窗口区域的镂空区域。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明实施例的的MEMS微驱动器，以并联的传输部对射频信号进行传导，同时采用T字型悬臂梁结构，利用反铁电薄膜驱动微驱动器的开关动作，既有利于改善微驱动器内各传输线的电流密度分布，有效提高微驱动器的功率处理能力，又能够提高微驱动器的开关速度及抗环境干扰的能力，且具有更长的工作寿命。
本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为根据本发明实施例的MEMS微驱动器的结构示意图；
图2为图1所示MEMS微驱动器的俯视图；
图3为根据本发明实施例的T字型悬臂梁的示意图；
图4为对图3所示悬臂梁的下半部分进行面外位移仿真的示意图；
图5为对现有技术中的静电驱动的桥式MEMS驱动器的电流密度分布进行仿真的示意图；
图6为对本发明实施例的MEMS微驱动器的电流密度矢量分布进行有限元仿真的示意图；
图7为反铁电薄膜的电滞回线和电致应变曲线的示意图；
图8为根据本发明另一实施例的MEMS微驱动器的制作方法的流程图；
图9a-图9g为根据本发明另一实施例的MEMS微驱动器的制作方法的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1为根据本发明实施例的MEMS微驱动器的结构示意图，图2为图1所示MEMS微驱动器的俯视图，下面结合图1和图2对MEMS微驱动器的结构进行说明。
如图1所示，在衬底10上设置有相互并联连接的第一传输部111与第二传输部112。其中，第一传输部111的两端与第二传输部112的两端分别连接，从传输线11上接收射频信号，在该MEMS微驱动器工作的常态，接收到的射频信号可以经由第一传输部111与第二传输部112同时进行传输。
为了使射频开关关闭时并联的第一传输部111与第二传输部112的关闭触点与传输线11端形成相同的电势，一般的，使第一传输部111与第二传输部112相互对称设置，这样可以保证传输线11端的电流各有二分之一从两个关闭触点分别流入，减小了每个触点的功率负载，相当于将大功率信号分成了两个小功率信号来处理。在本发明的一个实施例中，将第一传输部111与第二传输部112相互平行设置。
由第一传输部111与第二传输部112围成一个区域，该区域中部具有镂空部分，如图2所示，20表示镂空部分，在镂空部分的周围，由倾斜线填充的区域为衬底10。在上述由第一传输部111与第二传输部112所围成的区域内设置有支撑层15。支撑层15由衬底刻蚀形成，如图2所示，在支撑层的左边，由123所示出的区域表示固定的连接端。进一步从图2中还可以看出，支撑层15的其余部分悬空在镂空部分20的上方，形成悬臂梁结构。
在支撑层15的上表面上设置有下电极14，下电极14为驱动电极，与相应的驱动信号相连接。驱动信号一般为直流信号，也可以利用直流信号与交流信号的组合信号对微驱动器进行驱动。
下电极14采用金属材料制作，常用的材料如铂Pt，铱Ir，金Au等。下电极14也可以为氧化物电极，例如LaNiO3电极、SrRuO3电极等。本发明实施例中对下电极的材料不做限定。
在下电极14的上表面设置有驱动介质层13，在驱动介质层13的上表面上还设置有上电极12。如图2所示，上电极12进一步划分为第一触点区域21、第二触点区域22以及固定区域23。其中，第一触点区域21内对应设置有第一开关触点121(如图1所示)，第二触点区域22内对应设置有第二开关触点122(如图1所示)。
第一开关触点121与第二开关触点122一般对称设置，这样与对称设置的第一传输部111与第二传输部112相配合，能够实现对射频信号的同步开关动作，保证由一个大功率射频信号分成的两个小功率射频信号的同步处理。
进一步结合图1和图2可以看出，上电极12位于其第一触点区域21内的部分与位于其第二触点区域22内的部分分别延伸至第一传输部111与第二传输部112的上方。而上电极12位于其固定区域23的部分与驱动介质层13的上表面固定连接。
上电极12与接地信号相连接，其接地引线的焊点设置在区域123内(如图2所示)。这样在上电极12与下电极14之间形成有电场，驱动介质层13处于上述电场中。驱动介质层13一般为非柔性陶瓷薄膜，可以在外力的作用下发生弹性形变。因此，驱动介质层13在电场力的作用下发生弹性形变，进而带动与其固定连接的上电极12向下运动，进而带动整个悬臂梁结构向下运动，使得第一开关触点121和第二开关触点122分别与第一传输部111和第二传输部112相接触。由于上电极与接地信号相连接，因此，传输线11中的射频信号导入接地端。即射频信号的传输路径传输线11被截断，微驱动器处于断开状态。
上电极12可以采用与下电极14相同的金属材料，例如铂Pt，铱Ir，金Au等，也可以为氧化物电极，例如LaNiO3电极、SrRuO3电极等。
在本发明的实施例中，由于设置有并联的第一传输部111与第二传输部112，因此可以对较大的射频电流进行分流，进而实现大功率设计。
在本发明的一个实施例中，上电极12采用T字型电极。如图1所示，该T字型的上电极12包括横向电极和纵向电极，横向电极的两端为相互对称的自由端，以该相互对称的自由端分别作为第一开关触点121与第二开关触点122。
在本发明的一个实施例中，将驱动介质层13、下电极14以及支撑层15也设置为对应的T字型图案。如图1所示。
本实施例中的T字型上电极采用完全对称的结构，可以实现对两侧开关的同步控制。并且单侧L形结构相当于增加了普通直悬臂梁长度，可增加触点面外位移，这为适当提高开关触点与传输线的间距以增加功率处理能力和隔离度提供了设计空间。
图3为由上电极12所形成的T字型悬臂梁的示意图，图4为对图3所示悬臂梁的下半部分进行面外位移仿真的示意图，如图4所示，假设本实施例中上电极的纵向电极的长度为500μm，其与同样长度的长直梁相比，增加的向下拐的梁也会产生位移，当向下拐的梁的长度也为500μm时，理论上此T字型梁应等效于直的1000μm长的直梁，相当于增加了500μm长直梁的长度。
另外，传统桥式开关闭合时的电流密度分布不均匀，射频信号进入一侧电流密度高度集中，功率处理能力严重依赖该侧导体厚度。T字型结构则有效利用了上电极导体的整体面积，改善了电流密度分布，可有效提高功率处理能力。
图5为对现有技术中的静电驱动的桥式MEMS驱动器的电流密度分布进行有限元仿真的示意图，图6为对本发明实施例的MEMS微驱动器的电流密度矢量分布进行有限元仿真的示意图。
如图5所示，静电驱动的桥式MEMS驱动器的中间为传输线，开关为上下跨跃的桥形结构，上下两端固定支撑，中间悬空。关闭时中间部分接触到桥形梁下中间穿过的传输线，则射频信号电流被开关引入接地。从图中可以看出，开关闭合时，左侧靠近传输线流入端的一边电流密度最大，近传输线流出端电流密度最小，说明引走的电流主要是从左侧边缘流入接地的，这样整个开关的电流密度分布不均匀。电流密度绝大部分集中在左侧边缘容易产生大的损耗和热量，长时间不利于射频开关的整体可靠性和稳定性。
如图6所示，在本发明的实施例中，电流从两条传输线分别进入T字型梁的横向电极部分，最后汇入纵向电极部分再从固定端流出，整体电流分布比较均匀，有效利用了整个电极平面，而没有单侧边缘集中现象，因此电阻较小，开关特性好，也不会产生大的损耗和发热。
在本发明的另一个实施例中，驱动介质层13采用反铁电薄膜制作。反铁电薄膜是一种具有电致应变效应的功能材料，它在一定温度范围内，相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列，宏观自发极化强度为零，在外电场诱导下，反铁电相将向铁电相转变引起非线性突变应变。
如图7所示，与压电薄膜不同，反铁电薄膜驱动开关具有两个稳定的应变状态，零电压时无剩余应变。因此，反铁电薄膜应变重复性和可靠性更好，两个稳定之间的非线性应变速度快，并且抗干扰能力更强，即在驱动电路中即使存在少量干扰电压信号，稳态应变仍可保持良好。
利用反铁电材料的上述特性制作的反铁电薄膜可以为MEMS微驱动器提供高速大应变。MEMS微驱动器的整个结构为多层薄膜结构，上电极、触点层和传输线的厚度一般1～10μm，反铁电薄膜介质层的厚度一般为0.5～5μm，下电极的厚度一般为0.1～1μm，支撑层厚度(一般选用Si制作)一般为1～20μm，各膜层的整体厚度控制在3-36μm的范围内。除反铁电薄膜外，所有薄膜层均采用半导体镀膜技术制作，层间结合力很强，层间无相对滑动位移。
一般的，反铁电陶瓷的最大应变可达0.87％，而PZT弛豫型铁电陶瓷逆压电效应引起的应变则在0.1％左右，即使是反铁电薄膜，也很容易达到0.3％-0.5％的应变，因此，采用反铁电材料制作的驱动介质层可为微驱动器提供大应变。
一般压电材料所制作的薄膜的应变与驱动电压呈线性关系，应变随电压具有缓慢连续变化的特点。而反铁电薄膜的应变与驱动电压则在相变阶段呈非线性突变特征，该过程时间非常短，即具有快速反应的特性。因此，本实施例中所采用的反铁电材料制作的驱动介质层可以提高微驱动器的开关速度。
同时，由于反铁电材料弹性模量较大，因此，采用反铁电材料制作的驱动介质可以使得MEMS微驱动器的有效弹性系数更大，产生的驱动力也高，有利于提高开关速度、射频功率处理能力和抗环境振动干扰能力。
另外，反铁电薄膜相变过程属于180°畴极化翻转，比铁电型压电薄膜的90°畴极化翻转产生的内应力小，因此反铁电薄膜内部产生的缺陷和微裂纹也少得多，从而疲劳性好，具有更长的工作寿命。
在本发明的其他实施例中，在驱动介质层13与上电极12之间还设置有粘附层,(图1中未示出)，粘附层用于增加上电极12与驱动介质层13之间的结合力。粘附层一般可以采用金属钛Ti或金属铬Cr来制作，一般厚度约为20-50nm。
本发明实施例的的MEMS微驱动器，以并联的传输部对射频信号进行传导，同时采用T字型悬臂梁结构，利用反铁电薄膜驱动微驱动器的开关动作，既有利于改善微驱动器内各传输线的电流密度分布，有效提高微驱动器的功率处理能力，同时提高了微驱动器的开关速度及抗环境干扰的能力，且具有更长的工作寿命。
下面将结合图8和图9a-图9g进一步说明MEMS微驱动器的制作方法，需要注意的是，为更加清晰地说明本发明实施例，图9a-图9g中各给出两个图形，位于左侧的图形为位于右侧的图形的俯视图(图9g为从衬底下表面看上去的俯视图)，其中，左侧图形上的虚线表示的是右侧图形的截面的位置。
如图8所示，该制作方法包括以下步骤：
步骤S810、在衬底的上表面上形成第一薄膜材料层。
该第一薄膜材料层用于制作下电极，可以采用如铂Pt，铱Ir，金Au等。下电极14也可以为氧化物电极，例如LaNiO3电极、SrRuO3电极等。
步骤S820、在第一薄膜材料层上形成反铁电膜层。
在一个具体的实施例中，可以采用溶胶-凝胶法制备反铁电膜层。一般应保证反铁电膜层的厚度大于1μm。
步骤S830、图案化第一薄膜材料层与反铁电膜层，以形成T字型下电极与T字型反铁电梁。
在一个具体的实施例中，可以采用薄膜刻蚀技术对反铁电薄膜以及第一薄膜材料层进行图形化刻蚀。如图9a所示，在该实施例中，第一薄膜材料层采用的是LaNiO3，衬底(基片)的材料为Si，Si基片的厚度约为300-500μm。
步骤S840、在衬底与反铁电梁上形成并图案化第二薄膜材料层，以形成第一传输部、第二传输部与T字型上电极。
在一个具体的实施例中，运用溅射和光刻结合的剥离工艺在Si基片表面制作并联图形和T字型上电极。第二薄膜材料层用于制作上电极和传输线，与第一薄膜材料层类似，可以采用如铂Pt，铱Ir，金Au等。上电极也可以为氧化物电极，例如LaNiO3电极、SrRuO3电极等。
如图9b所示，第二薄膜材料层的材料为Au，形成的并联的Au传输线围绕在T字型梁的外围，T子型上电极与传输线同步图案化形成。
步骤S850、在衬底的上表面上形成支撑层以及设定深度的窗口区域。
在一个具体的实施例中，利用光刻工艺，在Si基片的上表面上形成镂空区域的窗口，然后采用深硅干法刻蚀技术刻蚀Si，刻蚀深度即为T字型悬臂梁Si支撑层的厚度，如图9c所示。
步骤S860、在T字型上电极上形成分别延伸至第一传输部与第二传输部的上方的第一触点区域与第二触点区域。
在形成第一触点区域与第二触点区域的步骤中还进一步包括：
步骤S861、在衬底上形成一层牺牲层薄膜。
步骤S862、图案化牺牲层薄膜。
步骤S863、在图案化后的牺牲层薄膜上方对应于设定的触点区域内，分别形成第一触点区域与第二触点区域。
步骤S864、去除牺牲层薄膜。
具体的，首先在整个衬底Si基片上制作一层无机或有机牺牲层薄膜，再利用光刻和薄膜刻蚀技术在两个传输线的触点区域形成图案化的牺牲层薄膜，如图9d所示。
然后，运用光刻工艺在两个传输线的触点区域形成触点电极图形，再利用电镀工艺在触点区域制作出Au薄膜，如图9e所示。
最后，经过薄膜刻蚀技术去除牺牲层释放Au触点悬浮电极，如图9f所示。
步骤S870、在衬底的下表面形成对应于窗口区域的镂空区域。
在一个具体的实施例中，利用光刻工艺，在Si基片背面形成镂空区域的刻蚀窗口，运用深硅干法刻蚀技术刻蚀Si基片背面窗口并与正面深槽穿通完成悬浮结构释放，最终形成T字型微驱动器结构，如图9g所示。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种MEMS微驱动器，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的相互并联连接的第一传输部与第二传输部，其配置为同时接收并传输射频信号；
形成于由所述第一传输部与第二传输部围成的区域内的支撑层；
形成于所述支撑层上表面的下电极，其与驱动信号相连接；
形成于所述下电极上表面的驱动介质层；
形成于所述驱动介质层上表面的上电极，其与接地信号相连接；以及
形成于所述上电极上的第一开关触点与第二开关触点；
其中，所述驱动介质层被配置为：在由所述驱动信号与所述接地信号产生的电场的作用下发生弹性形变，以使得所述第一开关触点和第二开关触点分别与所述第一传输部和第二传输部相接触，从而停止所述射频信号的传输。
2.根据权利要求1所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述上电极包括固定区域、对应于所述第一开关触点的第一触点区域以及对应于所述第二开关触点的第二触点区域；
其中，所述上电极位于所述第一触点区域的部分与位于所述第二触点区域的部分分别延伸至所述第一传输部与第二传输部的上方；所述上电极位于所述固定区域的部分与所述驱动介质层的上表面固定连接。
3.根据权利要求2所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述第一开关触点与所述第二开关触点对称设置。
4.根据权利要求3所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述上电极包括构成T字型的横向电极和纵向电极，所述第一触点区域与第二触点区域分别位于所述横向电极的两端。
5.根据权利要求4所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述驱动介质层、所述下电极以及所述支撑层具有与所述上电极的固定区域相对应的T字型图案。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述第一传输部与所述第二传输部相互对称设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述驱动介质层为反铁电薄膜。
8.根据权利要求7所述的MEMS微驱动器，其特征在于，在所述驱动介质层与所述上电极之间还设置有粘附层。
9.根据权利要求7或8所述的MEMS微驱动器，其特征在于，所述反铁电薄膜的厚度为0.5-5μm。
10.一种MEMS微驱动器的制作方法，包括：
在衬底的上表面上形成第一薄膜材料层；
在所述第一薄膜材料层上形成反铁电膜层；
图案化所述第一薄膜材料层与所述反铁电膜层，以形成T字型下电极与T字型反铁电梁；
在所述衬底与所述反铁电梁上形成并图案化第二薄膜材料层，以形成第一传输部、第二传输部与T字型上电极；
在所述衬底的上表面上形成支撑层以及设定深度的窗口区域；
在所述T字型上电极上形成分别延伸至所述第一传输部与第二传输部的上方的第一触点区域与第二触点区域；
在所述衬底的下表面形成对应于所述窗口区域的镂空区域。
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