CN109292724A - 近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器及其制作方法。包括衬底；绝缘介质层，所述绝缘介质层设置在所述衬底沿其厚度方向的一侧；固定件，所述固定件设置在所述绝缘介质层背离所述衬底的一侧；电感悬臂梁结构，所述电感悬臂梁结构与所述固定件连接，且所述电感悬臂梁结构悬空在所述绝缘介质层上方；激励电感结构，所述激励电感结构位于所述电感悬臂梁结构的上方，所述激励电感结构和所述电感悬臂梁结构之间形成电磁场的近场耦合；所述激励电感结构的两端用于连接交流信号源。本发明的微机械悬臂梁执行器采用无线方式工作，能在密闭环境或旋转环境等恶劣环境中工作，采用片上集成结构，具有体积小、响应快和可批量生产的优点。

Description

近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器及其制作方法。

背景技术

微执行器是微系统的核心部件之一，它可以为微系统提供动力，也可以成为微系统的操作和执行单元。微执行器有多种不同的执行方式，常见的驱动方式有静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动等形式。

其中，最常用的有三种，电驱动、磁驱动和热驱动。静电微执行器体积小，结构简单，响应快，是目前应用最多的一种微执行器。但是，静电执行器的输出力与其他驱动形式相比要小得多。热驱动是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变，从容实现力的输出。热驱动的功耗较大，精度难以控制。磁驱动执行器利用磁场使磁性物质或通电导体产生偏转。微马达是一种磁驱动器，它能产生较大的力矩和较高转速。形状记忆合金也可以被用来制作微执行器。在高、低温之间变化时形状记忆合金的形状会在两种状态之间切换。利用形状记忆合金的这种特性，已经制作出微镊子等微执行器。

电驱动的微执行器绝大部分都是有线式的。这种有线的电驱动执行器在密闭空间、人体内部以及旋转环境中就不再适用。对于这些环境，需要采用无线方式工作的电驱动微执行器。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器及其制作方法。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器，包括：

衬底；

绝缘介质层，所述绝缘介质层设置在所述衬底沿其厚度方向的一侧；

固定件，所述固定件设置在所述绝缘介质层背离所述衬底的一侧；

电感悬臂梁结构，所述电感悬臂梁结构与所述固定件连接，且所述电感悬臂梁结构悬空在所述绝缘介质层上方；

激励电感结构，所述激励电感结构位于所述电感悬臂梁结构的上方，所述激励电感结构和所述电感悬臂梁结构之间形成电磁场的近场耦合；

所述激励电感结构的两端用于连接交流信号源。

可选地，所述电感悬臂梁结构的第一端与所述固定件固定连接，所述电感悬臂梁结构的第二端悬空在所述绝缘介质层的上方。

可选地，所述固定件位于所述绝缘介质层的边缘区域，所述电感悬臂梁结构的第二端悬空在所述绝缘介质层的中央区域。

可选地，所述电感悬臂梁结构包括依次设置的第一金属膜、介质膜和第二金属膜，所述第一金属膜朝向所述绝缘介质层，所述第二金属膜背离所述绝缘介质层，且所述第一金属膜与所述第二金属膜构成LC谐振回路。

可选地，所述第一金属膜和所述第二金属膜为两种热膨胀系数相差较大的金属。

可选地，所述第一金属膜的热膨胀系数大于所述第二金属膜的热膨胀系数。

可选地，所述第一金属膜的热膨胀系数小于所述第二金属膜的热膨胀系数。

可选地，所述交流信号源的信号频率与所述电感悬臂梁结构的谐振频率相等。

本发明的第二方面，提供了一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器的制作方法，所述近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器包括前文记载的所述的近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器，所述制作方法包括：

步骤S110、在所述衬底表面沉积一层绝缘介质层；

步骤S120、在所述绝缘介质层的表面沉积一层介质层，并刻蚀形成所述固定件；

步骤S130、涂覆牺牲层，并进行光刻和刻蚀；

步骤S140、沉积形成所述电感悬臂梁结构；

步骤S150、腐蚀牺牲层，释放所述电感悬臂梁结构。

可选地，步骤S140具体包括：

依次在所述绝缘介质层的表面沉积第一金属层、介质层和第二金属层；

对所述第一金属层、介质层和第二金属层进行光刻并刻蚀，形成所述电感悬臂梁结构。。

本发明的微机械悬臂梁执行器及其制作方法，包括衬底、绝缘介质层、固定件、电感悬臂梁结构和激励电感结构。所述电感悬臂梁结构与所述固定件连接，且所述电感悬臂梁结构悬空在所述绝缘介质层上方。所述激励电感结构位于所述电感悬臂梁结构的上方，所述激励电感结构和所述电感悬臂梁结构之间形成电磁场的近场耦合。本发明的微机械悬臂梁执行器采用无线方式工作，能在密闭环境或旋转环境等恶劣环境中工作，此外，本发明的微机械悬臂梁执行器，采用片上集成结构，具有体积小、响应快和可批量生产的优点。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中微机械悬臂梁执行器的立体图；

图2为本发明第二实施例中微机械悬臂梁执行器的主视图；

图3为本发明第三实施例中微机械悬臂梁执行器的制作方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1和图2所示，本发明的第一方面，涉及一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器100，该微机械悬臂梁执行器100包括衬底110、绝缘介质层120、固定件130、电感悬臂梁结构140和激励电感结构150。其中，所述绝缘介质层120设置在所述衬底110沿其厚度方向的一侧，例如，如图1和图2所述，该绝缘介质层120设置在所述衬底110的上表面。所述固定件130设置在所述绝缘介质层120背离所述衬底110的一侧，也就是说，如图1和图2所示，固定件130设置在所述绝缘介质层120的上表面。所述电感悬臂梁结构140与所述固定件130连接，且所述电感悬臂梁结构140悬空在所述绝缘介质层120上方。所述激励电感结构150位于所述电感悬臂梁结构140的上方，所述激励电感结构150和所述电感悬臂梁结构140之间形成电磁场的近场耦合。所述激励电感结构150的两端用于连接交流信号源S。

本实施例结构的微机械悬臂梁执行器100，其包括衬底110、绝缘介质层120、固定件130、电感悬臂梁结构140和激励电感结构150。所述电感悬臂梁结构140与所述固定件130连接，且所述电感悬臂梁结构140悬空在所述绝缘介质层120上方。所述激励电感结构150位于所述电感悬臂梁结构140的上方，所述激励电感结构150和所述电感悬臂梁结构140之间形成电磁场的近场耦合。因此，本实施例中的微机械悬臂梁执行器100，其采用无线方式工作，能在密闭环境或旋转环境等恶劣环境中工作，此外，本实施例结构的微机械悬臂梁执行器100，采用片上集成结构，具有体积小、响应快和可批量生产的优点。

需要说明的是，对于所述电感悬臂梁结构140悬空在所述绝缘介质层120上方的具体距离并没有作出限定，在实际应用时，可以根据实际需要，设定固定件130的高度尺寸，从而可以间接地限定电感悬臂梁结构140距离绝缘介质层120上方的尺寸。

进一步需要说明的是，对于所述激励电感结构150位于所述电感悬臂梁结构140的上方的具体距离也没有作出限定，在实际应用时，可以根据实际需要，限定激励电感结构150与所述电感悬臂梁结构140之间的距离，但是，两者之间的距离应当满足所述激励电感结构150和所述电感悬臂梁结构140之间形成电磁场的近场耦合。

具体地，如图1和图2所示，所述电感悬臂梁结构140的第一端与所述固定件130固定连接，所述电感悬臂梁结构140的第二端悬空在所述绝缘介质层120的上方。

如图1和图2所示，所述固定件130可以位于所述绝缘介质层120的边缘区域，所述电感悬臂梁结构140的第二端悬空在所述绝缘介质层120的中央区域。

如图1和图2所示，所述电感悬臂梁结构140包括依次设置的第一金属膜141、介质膜142和第二金属膜143，所述第一金属膜141朝向所述绝缘介质层120，所述第二金属膜143背离所述绝缘介质层120，且所述第一金属膜141与所述第二金属膜143构成LC谐振回路。

可选地，所述第一金属膜141和所述第二金属膜143为两种热膨胀系数相差较大的金属。

具体地，由于近场耦合原理，激励电感结构150上的交流信号会无线地耦合到电感悬臂梁结构140上。然后，耦合到电感悬臂梁结构140上的交流信号会在电感悬臂梁结构140上产生焦耳热。由于第一金属膜141和第二金属膜143的热膨胀系数不同，当电感悬臂梁结构140温度发生变化时，第一金属膜141和第二金属膜143的体积膨胀量将会不相等。第一金属膜141和第二金属膜143的体积膨胀量不相等会导致第一金属膜141和第二金属膜143之间产生热应力。第一金属膜141和第二金属膜143之间产生的热应力最终会使电感悬臂梁结构140发生偏转。

具体地，所述第一金属膜141的热膨胀系数大于所述第二金属膜143的热膨胀系数。这样，当电感悬臂梁结构140的温度升高时，由于第一金属膜141的热膨胀系数大于第二金属膜143，其产生的热应力将导致电感悬臂梁结构140向上偏转。

具体他，所述第一金属膜141的热膨胀系数小于所述第二金属膜143的热膨胀系数。这样，当电感悬臂梁结构140温度升高时，由于第一金属膜141的热膨胀系数小于所述第二金属膜143的热膨胀系数，其产生的热应力将导致电感悬臂梁结构140向下偏转。

如图1和图2所示，所述交流信号源S的信号频率与所述电感悬臂梁结构140的谐振频率相等。这是因为，只要在激励电感结构150上加载交流信号，就可以使电感悬臂梁结构140产生偏转。为了使近场耦合的效率最大，加载的交流信号的频率与电感悬臂梁结构140的LC谐振频率相同。通过调节加载的交流信号的幅度，可以控制电感悬臂梁结构140的偏转幅度。

本发明的第二方面，如图3所示，提供了一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器的制作方法S100，所述近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器包括前文记载的所述的近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器，具体地可以参考前文相关记载，在此不作赘述。所述制作方法包括：

步骤S110、在所述衬底表面沉积一层绝缘介质层；

步骤S120、在所述绝缘介质层的表面沉积一层介质层，并刻蚀形成所述固定件；

步骤S130、涂覆牺牲层，并进行光刻和刻蚀；

步骤S140、沉积形成所述电感悬臂梁结构；

步骤S150、腐蚀牺牲层，释放所述电感悬臂梁结构。

本实施例结构的微机械悬臂梁执行器的制作方法S100，其首先在所述衬底表面沉积一层绝缘介质层，之后，在所述绝缘介质层的表面沉积一层介质层，并刻蚀形成所述固定件，然后，涂覆牺牲层，并进行光刻和刻蚀，之后，沉积形成所述电感悬臂梁结构，最后，腐蚀牺牲层，释放所述电感悬臂梁结构。因此，制作形成的微机械悬臂梁执行器，其可以采用无线方式工作，能在密闭环境或旋转环境等恶劣环境中工作，此外，采用片上集成结构，具有体积小、响应快和可批量生产的优点。

可选地，步骤S140具体包括：

依次在所述绝缘介质层的表面沉积第一金属层、介质层和第二金属层；

对所述第一金属层、介质层和第二金属层进行光刻并刻蚀，形成所述电感悬臂梁结构。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，包括：

衬底；

绝缘介质层，所述绝缘介质层设置在所述衬底沿其厚度方向的一侧；

固定件，所述固定件设置在所述绝缘介质层背离所述衬底的一侧；

电感悬臂梁结构，所述电感悬臂梁结构与所述固定件连接，且所述电感悬臂梁结构悬空在所述绝缘介质层上方；

激励电感结构，所述激励电感结构位于所述电感悬臂梁结构的上方，所述激励电感结构和所述电感悬臂梁结构之间形成电磁场的近场耦合；

所述激励电感结构的两端用于连接交流信号源。

2.根据权利要求1所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述电感悬臂梁结构的第一端与所述固定件固定连接，所述电感悬臂梁结构的第二端悬空在所述绝缘介质层的上方。

3.根据权利要求2所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述固定件位于所述绝缘介质层的边缘区域，所述电感悬臂梁结构的第二端悬空在所述绝缘介质层的中央区域。

4.根据权利要求1所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述电感悬臂梁结构包括依次设置的第一金属膜、介质膜和第二金属膜，所述第一金属膜朝向所述绝缘介质层，所述第二金属膜背离所述绝缘介质层，且所述第一金属膜与所述第二金属膜构成LC谐振回路。

5.根据权利要求4所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述第一金属膜和所述第二金属膜为两种热膨胀系数相差较大的金属。

6.根据权利要求5所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述第一金属膜的热膨胀系数大于所述第二金属膜的热膨胀系数。

7.根据权利要求5所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述第一金属膜的热膨胀系数小于所述第二金属膜的热膨胀系数。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的微机械悬臂梁执行器，其特征在于，所述交流信号源的信号频率与所述电感悬臂梁结构的谐振频率相等。

9.一种近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器的制作方法，其特征在于，所述近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器包括权利要求1至9中任意一项所述的近场耦合驱动的微机械悬臂梁执行器，所述制作方法包括：

步骤S110、在所述衬底表面沉积一层绝缘介质层；

步骤S120、在所述绝缘介质层的表面沉积一层介质层，并刻蚀形成所述固定件；

步骤S130、涂覆牺牲层，并进行光刻和刻蚀；

步骤S140、沉积形成所述电感悬臂梁结构；

步骤S150、腐蚀牺牲层，释放所述电感悬臂梁结构。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，步骤S140具体包括：

依次在所述绝缘介质层的表面沉积第一金属层、介质层和第二金属层；

对所述第一金属层、介质层和第二金属层进行光刻并刻蚀，形成所述电感悬臂梁结构。