CN107628587B - 一种多级电热驱动mems执行器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级电热驱动MEMS执行器，包括一衬底和位于该衬底上的多级驱动单元，所述多级驱动单元的每一级驱动单元都包括一驱动端、一宽梁和一窄梁；所述宽梁和窄梁处于平行于所述衬底的同一平面内，一端共同连接于所述驱动端，另一端分别连接一支点；第一级驱动单元的支点固定于所述衬底上，并作为用于给第一级驱动单元供电的供电点；从第二级驱动单元算起的任意一级驱动单元的两个支点通过绝缘连接结构共同刚性连接于相邻上级驱动单元的驱动端，且每一支点还各连接一柔性供电结构的一端，所述柔性供电结构的另一端作为给所在级驱动单元供电的供电点。

Description

一种多级电热驱动MEMS执行器及其制造方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，涉及一种可产生位置和角度移动的基础执行器，特别是涉及一种采用多级热驱动单元和柔性供电结构的大范围面内双向运动执行器，还涉及这种执行器的一种制造方法。

背景技术

MEMS技术萌芽于1960年代，在1980至2000年代得到迅速发展，作为一项新兴技术，兼具微型化、集成化，智能化、信息化、先进制造等特点于一身，其不仅以微电子技术为基础，而且涉及到计算机技术、通信技术、自动控制技术、机械设计与制造等多技术学科，可谓一门多学科交叉的综合技术。基于MEMS技术的微型传感器、执行器、光学系统、射频系统、生物芯片、流体器件、立体集成电路等复杂系统，已在工业、军事、生物、医学和消费类产品等行业得到广泛应用，对提高工业自动化和智能制造程度等起到了重要作用。

执行器结构是MEMS器件的基本结构单元之一，是实现各种功能的基础，其工作原理是通过能量转换结构实现机械运动，如将电能转化为机械能，从而实现一定的机械操作。常见的驱动方式主要有四类：静电式、电磁式、电热式和压电式。受加载方式和能量转换效率的限制，现有的MEMS执行器一般产生位移或驱动动力较小。相比于其他驱动方式，电热驱动更容易产生较大驱动位移；但相对传统执行器而言，现有的几种单级驱动电热式执行器的驱动位移仍然较小，难以满足大位移大偏转角度的要求。

发明内容

鉴于现有技术不足，本发明提供一种多级电热驱动MEMS执行器及其制造方法，本执行器通过多级驱动单元级联和柔性供电的机构设计，能够实现驱动端大位移大偏转角度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多级电热驱动MEMS执行器，包括一衬底和位于该衬底上的多级驱动单元，所述多级驱动单元的每一级驱动单元都包括一驱动端、一宽梁和一窄梁；所述宽梁和窄梁处于平行于所述衬底的同一平面内，一端共同连接于所述驱动端，另一端分别连接一支点；第一级驱动单元的支点固定于所述衬底上，并作为用于给第一级驱动单元供电的供电点；从第二级驱动单元算起的任意一级驱动单元的两个支点通过绝缘连接结构共同刚性连接于相邻上级驱动单元的驱动端，且每一支点还各连接一柔性供电结构的一端，所述柔性供电结构的另一端作为给所在级驱动单元供电的供电点。本发明所述“算起”是指算向级数高的驱动单元，例如从第二级驱动单元算起是指第二级驱动单元、第三级驱动单元以及更高级驱动单元均计算在内。

进一步地，每一级驱动单元的宽梁与其支点的连接处设有一窄节，该窄节的水平宽度小于所述宽梁，形成一个弹性连接的铰链结构，便于所述宽梁偏移。

进一步地，每一级驱动单元的宽梁的长度方向沿多级驱动单元级联的布置方向，窄梁与宽梁在面内呈不平行布置，在驱动端处成一锐角；相邻两级驱动单元的宽梁和窄梁的左右位置相反。

进一步地，从第三级驱动单元算起的各级驱动单元的每一柔性供电结构上均含有N个支撑结构，N等于所在级驱动单元的级数减2。

进一步地，所有柔性供电结构平行于衬底悬浮布置。

进一步地，所述柔性供电结构的支撑结构通过绝缘连接结构刚性连接相邻上级或下级驱动单元的支点或柔性供电结构的支撑结构。

进一步地，所述柔性供电结构为S型，该S型包括双直角型、半圆型和尖角回转型。

进一步地，在执行器的除了窄梁外的结构上表面含有一层金属膜，该金属膜材料可以是Al、Ti/Au或Cr/Au，其中Ti/Au或Cr/Au表示Ti或Cr作为先沉淀的较薄的粘附及隔离层，Au作为后沉淀的较厚的主导电层。

一种多级电热驱动MEMS执行器的制造方法，采用MEMS工艺，步骤包括：

1、支点和各供电点结构制造：在单晶硅片A面上光刻第一级驱动单元支点和各供电点的图形，以光刻胶为掩膜刻蚀所属单晶硅片，形成凸起的支点和各供电点结构；

2、绝缘连接结构制造：在衬底上光刻绝缘连接结构图形，以光刻胶为掩膜进行槽结构刻蚀，在槽内采用热氧化或LPCVD方法制备氧化硅，再采用LPCVD方法淀积多晶硅直到槽被完全填充，刻蚀槽外多晶硅至氧化硅层露出，刻蚀氧化硅至衬底硅露出；

3、执行器结构片与衬底片键合：将所述单晶硅片A面与衬底进行键合；

4、执行器结构片减薄：采用KOH腐蚀方法或化学机械磨抛方法对所述单晶硅片B面进行减薄至硅片达到所需厚度；

5、金属淀积制作：在所述单晶硅片B面上淀积金属膜，光刻露出窄梁图形区域，腐蚀去除窄梁区域的金属膜；

6、执行器结构释放：在单晶硅片B面上光刻执行器结构，腐蚀金属膜，以光刻胶为掩膜深刻蚀执行器外的单晶硅，直到执行器结构释放。

进一步地，所述衬底为硼硅玻璃片或带有氧化硅的硅片。

本执行器的各级驱动单元利用宽梁和窄梁的电阻不同，通电流后温升不同，导致膨胀量不同，从而产生偏转驱动力。其中窄梁斜置，沿其长度方向对驱动端产生扭转驱动；宽梁与支点连接处的窄节使宽梁在驱动力的作用下易于向驱动方向偏转。执行器结构上除了窄梁和绝缘连接结构以外的其它结构上均有一层金属薄膜，以减小供电损耗，提高驱动效率。本执行器采用多级驱动单元级联，各级驱动单元可独立驱动，且相邻级驱动单元的宽梁和窄梁左右位置不同，通过各级驱动单元的驱动电流组合，可让执行器最后级驱动单元的驱动端在其工作范围内任意移动和偏转。驱动单元的级数可在结构整体支撑强度足够的前提下随需求增加或减少。另外，各级驱动单元之间采用绝缘连接结构进行刚性连接，保证各级驱动单元独立供电，避免驱动电流的相互干扰。

附图说明

图1是一实施例的四级MEMS执行器的结构示意图。

图2是第一级驱动单元的结构示意图。

图3是第一级驱动单元的断面结构示意图。

图4是另一实施例的四级MEMS执行器的结构示意图。

附图标记说明：

01-衬底； 31-第三支点；

02-第一级驱动器； 32-第三宽梁；

03-金属薄膜； 33-第三窄梁；

04-连接部位； 34-第三驱动端；

11-第一支点； 35-第三柔性供电结构；

12-第一宽梁； 36-第三支撑结构；

13-第一窄梁； 41-第四支点；

14-第一驱动端； 42第四宽梁；

15-窄节； 43-第四窄梁；

21-第二支点； 44-第四驱动端；

22-第二宽梁； 45-第四柔性供电结构；

23-第二窄梁； 46-第四(一)支撑结构；

24-第二驱动端； 47-第四(二)支撑结构；

25-第二柔性供电结构； 5-绝缘连接结构。

26-供电点；

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

需指出的是，本发明所述的“第一”“第二”“第三”“第四”等仅用于标示区分不同级驱动单元的多个具有相同名称的不同部件。此外，各部件并不以名称作为限制，应以其构造及功能为限。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有本领域内技术人员所通常理解的相同含义。这些用语(例如在通常使用的字典中定义的用语)应被解读成具有与相关技术及本发明背景技术或上下文一致的含义，而不应以理想化或过度正式的方式解读，除非在此特别定义。

本实施例提供一种多级电热驱动MEMS执行器，具体地提供一种四级驱动单元级联的MEMS执行器，以对其各部件功能及工作方式进行详细描述，但并不用以限制本发明范围，在实际应用中可根据需要设计级数。

图1所示为本四级MEMS执行器的结构示意图，由图可知，本执行器由衬底01和设置其上的四级级联驱动单元组成。每级驱动单元都包括一驱动端、连接于该驱动端的且同处于平行于衬底01的一平面内的一竖直宽梁和一倾斜窄梁，在宽梁和窄梁的另一端各连接一用于支撑和供电的支点，除第一级驱动单元外的其他各级驱动单元的支点上还各接有用于输电的一柔性供电结构。需指出的是，本实施例的每级驱动单元的两柔性供电结构对称地布置于左右侧且结构相同，故本实施例仅就每级驱动单元的一个柔性供电结构进行详细描述。但还需指出的是，在其他实施例中，每级驱动结构的两柔性供电结构的布置方式以及结构均可不同，故不以为限。

具体地，第一级驱动单元横向布置且相离的两个第一支点11(左支点和右支点)作为支撑与供电点，其中，右支点连接竖直的第一宽梁12，左支点连接倾斜的第一窄梁13，二者一同连接于第一驱动端14。工作时，电流从一个支点流入，另一个支点流出，第一窄梁13因宽度小于第一宽梁12，且第一宽梁12上有金属电极，以致电阻高于后者，温度及膨胀量也均高于后者，再由于第一窄梁13倾斜布置，发热膨胀后会向倾斜于第一宽梁12一侧伸长，导致第一驱动端14偏右移动，如图2的箭头所示。需强调的是，第一驱动端14偏右移动主要在于第一宽梁12和第一窄梁13发热膨胀量的不同，换言之，是由于二者膨胀量之差导致。在第一宽梁12与右支点连接处设有一窄节15，以易于第一宽梁12的偏转。

对于第二级、第三级、第四级驱动单元与第一级驱动单元相同的构造、功能及工作方式，如窄节15等，下文不再赘述，仅对不同之处作详细描述。

第二级驱动单元的两个第二支点21通过若干个绝缘连接结构5刚性连接于第一驱动端14，第二宽梁22竖直布置于左，第二窄梁倾斜布置于右，与第一宽梁12和第一窄梁13正好左右相反。第二支点21各连接一第二柔性供电结构25，其下端为供电点26，通过供电点26输入电流，电流经柔性供电结构25传输至第二支点21，进一步使第二宽梁22和第二窄梁23发热膨胀，导致第二驱动端24偏左移动(与第一驱动端14移动方向相反)。由于绝缘连接结构5的刚性连接，输入至第一驱动单元和第二驱动单元的电流互不干扰，且在第一驱动端14移动时会相应带动第二级驱动单元整体移动，故通过调节输入两驱动单元的驱动电流，可实现驱动端偏转好位移的精确调节。第二柔性供电结构25为S型，具体包括双直角、半圆和尖角回转等结构类型，实现柔性功能，减轻自身刚性对第二驱动单元移动阻碍及回弹阻力，其上面的金属电极可减少供电回路能量耗损。

第三级驱动单元连接于第二级驱动单元，具体是第三支点31通过若干个绝缘连接结构5刚性连接于第二驱动端24。第四级驱动单元连接于第三级驱动单元，具体是第四支点41通过若干个绝缘连接结构5刚性连接于第三驱动端34。第四驱动端44为整个执行器的驱动终端，其偏转角度和位置移动控制及精度是本发明的目的所在。第三宽梁32和第三窄梁33的左右位置与第二宽梁22和第二窄梁23相反，而第四宽梁42和第四窄梁43的左右位置与第三宽梁32和第三窄梁33相反，即相邻两级驱动单元的宽梁和窄梁左右位置相反。本实施例的执行器采用共点供电，供电点皆位于整个图2下边缘，与第一支点11横向平齐，便于供电，但不以为限，在其他实施例中供电点也可散布于各边缘。

第三级驱动单元的第三支点31接有第三柔性供电结构35，第四级驱动单元的第四支点42接有第四柔性供电结构45。由于采用共点供电，越高级驱动单元的柔性供电结构就相应越长，为避免驱动单元偏转导致的柔性供电结构电性接触其他部件，需在柔性供电结构上设置用于支撑及固定相对位置的支撑结构。具体地，第三柔性供电结构35上设有一第三支撑结构36，其通过若干绝缘连接结构5刚性连接于第二支点21上。第四柔性供电结构45上设有两个支撑结构，分别为第四(一)支撑结构46和第四(二)支撑结构47，其中，第四(一)支撑结构46通过若干绝缘连接结构5刚性连接于第三支点31，第四(二)支撑结构47通过若干绝缘连接结构5刚性连接于第三支撑结构36。由此可知，一柔性供电结构上的支撑结构数量等于所在的驱动单元级数减2，如一第二柔性供电结构25含0个支撑结构，一第三柔性供电结构35含1个支撑结构，一第四柔性供电结构45含2个支撑结构，换言之，支撑结构的数量与柔性供电结构所经过的能够起到支撑和固定作用的结构(如支点和其他柔性供电结构的支撑点)数量相同，这样可以在经过每级驱动单元时能够进行支撑和相对位置的固定。但支撑结构的数量规律不以为限，在其他实施例中，各级柔性供电结构可以人为设定数量。各级柔性供电结构的形状构造及功能与第二柔性供电结构25相同，不再赘述。

在各级驱动单元的级联部分使用绝缘连接结构5实现驱动力和方向的刚性传递，对各级驱动单元进行电隔离；同时对柔性供电结构提供支撑，确保不会因供电距离过长而塌落在衬底01上而影响执行器动作，还可避免因触及其他结构造成短路。

如图3所示，只有第一驱动单元02的第一支点11固定于衬底01上，作为各级驱动单元的固定点，如图中所示连接部位04，其他各级驱动单元只有其柔性供电结构的供电点固定于衬底01上，但由于柔性供电结构的柔性作用，故供电点并不妨碍驱动单元的移动，故可认为其他各级驱动单元独立于衬底01，不受衬底01的约束。另外，在驱动单元的上表面除窄梁外还淀积一层金属薄膜03，以降低电阻，减小能耗；同时减少宽梁的发热量，提高驱动效率。

综上所述，各级驱动单元的驱动电流相互独立，根据驱动端的偏转角和位移的需求进行独立驱动；而下级驱动单元的支点固定于上级驱动单元的驱动端，相当于结构串联。通过控制输入各级驱动单元的电流有无和大小来确定各级驱动单元的偏移量，以实现对本执行器的驱动终端(即第四驱动端44)偏转角和位移量的控制。由于是结构串联，且各级驱动单元的宽梁和窄梁的左右位置逐级交替，故可实现驱动终端大位移大角度的偏转。

此处提供另一实施例，该实施例提供的四级MEMS执行器结构与上述实施例大致相同，不同之处在于以执行器中线为界，其中一侧不需要绝缘连接结构，如图4所示。该执行器的各驱动单元供电电源是在不需要独立使用的情况下，各驱动单元可以采用共地或共电源的供电方式，则所有驱动单元的两个电极之一在电路中是等电位，只要对各驱动单元的一个电极采用绝缘连接结构进行电隔离即可，另一个电极上的各个驱动单元同电位，不需要绝缘连接结构隔离。即执行器结构可以垂直中心线为界，只需要在执行器左侧或右侧设置绝缘连接结构，另一侧不需要绝缘连接结构，以简化执行器的结构设计。

针对上述执行器，本实施例还提供一种制造方法，采用MEMS工艺制造，可以是硅工艺或其他能够在衬底上制造悬浮结构的工艺，制造流程如下：

1、支点和各供电点结构制造：在电阻率小于等于0.2Ω·cm的单晶硅片A面上光刻第一级驱动单元支点和各供电点的图形，以光刻胶为掩膜刻蚀所属单晶硅片，刻蚀深度2～4μm，形成凸起的支点和各供电点结构。

2、绝缘连接结构制造：在衬底上光刻绝缘连接结构图形，以光刻胶为掩膜进行槽结构刻蚀，深度为30～50μm，在槽内采用热氧化或LPCVD方法制备氧化硅300nm，再采用LPCVD方法淀积多晶硅直到槽被完全填充，刻蚀槽外多晶硅至氧化硅层露出，刻蚀氧化硅至衬底硅露出。

3、执行器结构片与衬底片键合：将所述单晶硅片A面与作为衬底的硼硅玻璃片或带有氧化硅的硅片进行键合。

4、执行器结构片减薄：采用KOH腐蚀方法或化学机械磨抛方法将所述单晶硅片B面减薄至60～100μm厚度。

5、金属淀积制作：在所述单晶硅片B面上淀积金属膜，光刻露出窄梁图形区域，腐蚀去除窄梁区域的金属膜；金属膜包括Al、Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr作为先沉淀的较薄的粘附和隔离层，Au作为后沉淀的较厚的主导电层。

6、执行器结构释放：在单晶硅片上光刻执行器结构，腐蚀金属膜，以光刻胶为掩膜深刻蚀执行器外的单晶硅，直到执行器结构释放。

本发明提出的电热驱动的多级MEMS执行器为基于热失配驱动和柔性供电结构的多级激励双方向运动执行器。在衬底上设置多级驱动单元，利用热驱动的较大作用力，通过杠杆结构获得较大行程；对各级驱动单元进行级联，每级驱动单元驱动方向相反，通过各级驱动单元的驱动组合，实现执行器终端(最高级驱动单元的驱动端)相对其原点的左右位置移动和端面角度的较大范围改变。本执行器可作为一个通用的位置移动和角度变化平台，终端可以根据需求制作成各种形状，实现不同具体功能。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域内技术人员在不脱离本发明的精神和范围内可作适当的修改，故本发明的保护范围以权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种多级电热驱动MEMS执行器，包括一衬底和位于该衬底上的多级驱动单元，所述多级驱动单元的每一级驱动单元都包括一驱动端、一宽梁和一窄梁；所述宽梁和窄梁处于平行于所述衬底的同一平面内，一端共同连接于所述驱动端，另一端分别连接一支点；第一级驱动单元的支点固定于所述衬底上，并作为用于给第一级驱动单元供电的供电点；从第二级驱动单元算起的任意一级驱动单元的两个支点通过绝缘连接结构共同刚性连接于相邻上级驱动单元的驱动端，且每一支点还各连接一柔性供电结构的一端，所述柔性供电结构的另一端作为给所在级驱动单元供电的供电点。

2.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，每一级驱动单元的宽梁与其支点的连接处设有一窄节，该窄节的水平宽度小于所述宽梁。

3.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，每一级驱动单元的宽梁的长度方向沿多级驱动单元级联的布置方向，窄梁与宽梁在面内呈不平行布置，在驱动端处成一锐角；相邻两级驱动单元的宽梁和窄梁的左右位置相反。

4.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，从第三级驱动单元算起的各级驱动单元的每一柔性供电结构上均含有N个支撑结构，N等于所在级驱动单元的级数减2。

5.根据权利要求4所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，所述柔性供电结构的支撑结构通过绝缘连接结构刚性连接相邻上级或下级驱动单元的支点或柔性供电结构的支撑结构。

6.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，所有柔性供电结构平行于衬底悬浮布置。

7.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，所述柔性供电结构为S型，该S型包括双直角型、半圆型和尖角回转型。

8.根据权利要求1所述的一种多级电热驱动MEMS执行器，其特征在于，在执行器的除窄梁外的结构的上表面含有一层金属膜，该金属膜的材料包括Al、Ti/Au或Cr/Au。

9.一种用于制造权利要求1至8任一所述的多级电热驱动MEMS执行器的方法，采用MEMS工艺，步骤包括：

在单晶硅片A面上光刻第一级驱动单元支点和各供电点的图形，以光刻胶为掩膜刻蚀所属单晶硅片，形成凸起的支点和各供电点结构；

在衬底上光刻绝缘连接结构图形，以光刻胶为掩膜进行槽结构刻蚀，在槽内采用热氧化或LPCVD方法制备氧化硅，再采用LPCVD方法淀积多晶硅直到槽被完全填充，刻蚀槽外多晶硅至氧化硅层露出，刻蚀氧化硅至衬底硅露出；

将所述单晶硅片A面与衬底进行键合；

采用KOH腐蚀方法或化学机械磨抛方法对所述单晶硅片B面进行减薄至所需厚度；

在所述单晶硅片B面上淀积金属膜，光刻露出窄梁图形区域，腐蚀去除窄梁区域的金属膜；

在单晶硅片B面上光刻执行器结构，腐蚀金属膜，以光刻胶为掩膜深刻蚀执行器外的单晶硅，直到执行器结构释放。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述衬底为硼硅玻璃片或带有氧化硅的硅片。