CN110212805B - 一种改善翘曲程度的mems结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善翘曲程度的MEMS结构，所述MEMS结构包括悬空部件，所述悬空部件上设有多层电极层，所述电极层包括所述悬空部件自身所需的连接电极层，以及设于所述连接电极层以外的形变电极层，所述形变电极层为空心的夹状结构，其夹头与所述连接电极层绝缘相连；其中，利用施加在所述连接电极层和形变电极层上的电压所产生的相互吸引或排斥作用，使所述形变电极层的夹角变大或变小，以对所述连接电极层产生压应力或张应力，实现所述悬空部件的表面平整。本发明可通过形变电极层对梁或者微桥的形变进行调节，从而实现对悬空部件表面平整的控制。

Description

一种改善翘曲程度的MEMS结构

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，更具体地，涉及一种可改善翘曲程度的MEMS结构。

背景技术

传统的MEMS结构，一般以悬臂梁或者微桥结构为主要形式，其悬空部件容易受到薄膜内和薄膜之间应力的影响，因而容易导致形变甚至断裂。

请参考图1-图2，图1-图2是现有的一种MEMS结构示意图。如图1-图2所示，其显示一种微桥结构。微桥结构具有三个重要部位，即依次相连的支撑及电连接孔11，导电梁12和微桥桥面13；导电梁12和微桥桥面13中设有连接电极层，并通过支撑及电连接孔11引出至衬底10；导电梁12和微桥桥面13通过支撑及电连接孔11进行支撑及电传导，从而悬空设置在衬底10之上。

上述结构中，导电梁12和微桥桥面13即属于悬空部件。由于导电梁12为狭长部件，微桥桥面13为大面积片状部件，因而容易受到组成导电梁12和微桥桥面13的各层薄膜内部和薄膜之间的应力影响，容易导致导电梁12和微桥桥面13发生形变甚至断裂问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种改善翘曲程度的MEMS结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善翘曲程度的MEMS结构，所述MEMS结构包括悬空部件，所述悬空部件上设有多层电极层，所述电极层包括所述悬空部件自身所需的连接电极层，以及设于所述连接电极层以外的形变电极层，所述形变电极层为空心的夹状结构，其夹头与所述连接电极层绝缘相连；其中，利用施加在所述连接电极层和形变电极层上的电压所产生的相互吸引或排斥作用，使所述形变电极层的夹角变大或变小，以对所述连接电极层产生压应力或张应力，实现所述悬空部件的表面平整。

进一步地，所述悬空部件包括悬臂梁或者微桥结构，所述微桥结构包含相连的微桥桥面和导电梁；所述形变电极层和连接电极层设于所述悬臂梁上，或者设于导电梁和/或微桥桥面上。

进一步地，所述形变电极层在所述悬臂梁上，或者在所述导电梁和/或微桥桥面上形成以其夹头相连的多个夹状结构。

进一步地，所述形变电极层沿所述悬臂梁或者所述导电梁的长度方向设置；所述微桥桥面划分为网格状，每个所述网格区域内设有一个夹状结构的所述形变电极层。

进一步地，所述形变电极层和连接电极层通过同一个支撑及电连接结构分别引出

进一步地，设于所述微桥桥面各网格区域内的所述形变电极层，由一块锥形或矩形电极整体形成，各所述形变电极层相互连接形成整体。

进一步地，所述形变电极层设于所述悬空部件的上侧面和/或下侧面上，所述形变电极层和连接电极层之间设有介质隔离层。

进一步地，所述夹状结构为锥形或矩形，所述夹状结构由多个电极条以其一端相交叉设置形成。

进一步地，所述夹状结构的所述交叉部与非交叉部在材料和尺寸上完全一样；或者，所述交叉部在长、宽和高三维尺寸上小于非交叉部，和/或所述交叉部材料在刚性上小于非交叉部材料。

进一步地，根据权利要求8所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述夹状结构的所述交叉部与非交叉部在材料和尺寸上完全一样；或者，所述交叉部在长、宽和高三维尺寸上大于非交叉部，和/或所述交叉部材料在刚性上大于非交叉部材料。

从上述技术方案可以看出，本发明利用夹持物在受到夹子施加变化的夹力时会对应产生不同的弯曲度原理，在MEMS结构的悬臂梁或微桥结构等悬空部件上增设形变电极层，当对连接电极层和形变电极层施加电压时，利用所产生的静电力驱使连接电极层和形变电极层相互吸引或排斥，使夹状结构的形变电极层的夹角变大或变小，因而可对连接电极层产生压应力或张应力。这样，就可通过形变电极层对梁或者微桥的形变进行调节，从而实现对悬空部件表面平整的控制。

附图说明

图1-图2是现有的一种MEMS结构示意图。

图3-图4是一种夹子夹持梁状结构时的效果图。

图5-图9是本发明各较佳实施例中形变电极层的结构示意图。

图10是本发明一较佳实施例的一种支撑及电连接孔结构示意图。

具体实施方式

请参考图3-图4，图3-图4是一种夹子夹持梁状结构时的效果图。如图3-图4所示，以梁为例，将一根梁状结构15的两端用夹子(简化为两个相交的条状物)14夹住，如图3所示。当夹子14用力夹紧(例如可以通过静电力来实现)时，即表征夹子的两个条状物的夹角变小(ɑ2＜ɑ1)；此时，梁结构会15受到夹子14的力而向上弯曲，如图4所示。反之，当夹子放松(例如可以通过静电力来实现)时，即表征夹子的两个条状物的夹角变大；此时，梁结构会因受到夹子的力变小而向下弯曲。

本发明即利用上述夹持物在受到夹子施加变化的夹力时，会对应产生不同的弯曲度原理，在MEMS结构的悬空部件上设置多层电极层，电极层包括悬空部件自身所需的连接电极层，以及设于连接电极层以外的形变电极层，形变电极层为空心的夹状结构，其夹头与连接电极层绝缘相连。其中，利用施加在连接电极层和形变电极层上的电压所产生的相互吸引或排斥作用，使形变电极层的夹角变大或变小，以对连接电极层产生压应力或张应力，从而实现悬空部件的表面平整。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参考图5-图9，图5-图9是本发明各较佳实施例中形变电极层的结构示意图。如图5-图9所示，本发明的一种改善翘曲程度的MEMS结构，包括悬空部件，例如悬臂梁；或者例如图1-图2中的微桥结构；其中，微桥结构包含相连的微桥桥面和导电梁。下面以微桥结构为例进行说明(针对悬臂梁可参照导电梁加以理解)。

请参考图5，其可视为微桥桥面或导电梁的剖面结构。如图5所示，本发明中，在微桥桥面(导电梁)23上设有多层电极层。其中一层是微桥桥面(导电梁)23自身所需的连接电极层21，另外的至少一层电极层是用于通过电压产生形变的形变电极层24。

形变电极层24设置在连接电极层21以外的位置，例如设置在连接电极层21的上方或/和下方。

形变电极层24为空心的夹(子)状。其中，夹(子)的夹头与连接电极层21绝缘相连；夹尾相交于一点(顶点)。这样，可以利用施加在连接电极层21和形变电极层24上的电压所产生的相互吸引或排斥作用，使形变电极层24的夹角变大或变小(请参考图3-图4)，从而可对连接电极层21产生压应力或张应力，由此可实现悬空部件的表面平整控制。

形变电极层24可只设置在导电梁23上；或者，形变电极层24可同时设置在导电梁和微桥桥面23上。

请参考图5。作为一可选的实施方式，形变电极层24在导电梁和/或微桥桥面23上可形成一个夹状结构。或者，形变电极层24在导电梁和/或微桥桥面23上可形成以其夹头相连的多个夹状结构；即形变电极层24可为多个相连的夹形结构。图中显示一种两个相连的人字形(锥形)夹的结构。

导电梁和/或微桥桥面23可为多层结构，其自下而上可包括介质支撑层20、连接电极层21以及介质隔离层22。形变电极层24的夹头部可通过隔离柱25与导电梁或微桥桥面23表面的介质隔离层22相连并实现电学隔离。隔离柱25的材质可与介质隔离层22一致。

形变电极层24一般是采用沿导电梁23的长度方向设置。

图6-图8显示三种形变电极层的不同结构实施例。其中，图6中的形变电极层24-1采用了矩形的夹状结构；其夹头直接与导电梁或微桥桥面24表面的介质隔离层22相连并实现电学隔离。图7中的形变电极层24采用了人字形夹；其夹头也是直接与导电梁或微桥桥面23表面的介质隔离层22相连并实现电学隔离。图8中，形变电极层24设置有两层，其分别对称设置在导电梁或微桥桥面23的上下两侧。位于上层的一个形变电极层24的夹头部通过隔离柱25与导电梁或微桥桥面23上表面的介质隔离层22相连并实现电学隔离；位于下层的一个形变电极层24的夹头部通过隔离柱25与导电梁或微桥桥面23下表面的介质支撑层20相连并实现电学隔离。隔离柱25、介质支撑层20以及介质隔离层22的材质可一致。

上述的夹状结构形变电极层24、24-1可由多个电极条以其一端相交叉设置形成。各电极条的另一端作为夹头与导电梁或微桥桥面23表面的介质隔离层22(介质支撑层20)相连并实现电学隔离。

图9显示一种形变电极层在微桥桥面上的设置结构实施例。可将微桥桥面23划分为均匀的网格状，并在每个网格区域内设有一个夹状结构的形变电极层24-2。设于微桥桥面23各网格区域内的形变电极层24-2，可由一块锥形(金字塔形)或矩形电极整体形成，各形变电极层24-2相互连接形成整体。

或者，各网格区域内的形变电极层，可由多个(例如四个)电极条以其一端相交叉(形成共顶点)设置形成。各电极条的另一端作为夹头与导电梁或微桥桥面表面的介质隔离层(介质支撑层)相连并实现电学隔离。形变电极层的各夹头相互连接形成整体。

夹状结构形变电极层一端相交叉的交叉部与非交叉部在材料和尺寸上可完全一样。其中，交叉部在长、宽和高的三维尺寸上可小于非交叉部，和/或交叉部材料在刚性上小于非交叉部材料。通过将交叉部设置成为比非交叉部在长、宽、高三维尺寸上要小，和/或其材料在刚性上小于非交叉部，实现夹状结构形变电极层在交叉处弯曲，而非交叉部基本不形变。

或者，也可采用交叉部在长、宽和高三维尺寸上大于非交叉部，和/或交叉部材料在刚性上大于非交叉部材料。通过将交叉部设置成为比非交叉部在长、宽、高三维尺寸上要大，和/或其材料在刚性上大于非交叉部，实现夹状结构形变电极层在交叉处基本不形变，而非交叉部实现弯曲。

请参考图10。形变电极层24(24-1、24-2)和连接电极层21均可通过同一个支撑及电连接孔26分别引出(支撑及电连接孔的设置结构请参考图1-图2)。如图10所示，支撑及电连接孔26设置在衬底上；支撑及电连接孔26自外向内可依次设有介质支撑层20’、连接电极层21’、介质隔离层22’以及形变电极层24’。支撑及电连接孔26内的介质支撑层20’、连接电极层21’、介质隔离层22’以及形变电极层24’与导电梁23上的介质支撑层20、连接电极层21、介质隔离层22以及形变电极层24(24-1)对应相连。其中，连接电极层21和形变电极层24可由支撑及电连接孔26底部开口通过后道金属层27分别向衬底引出，并实现相互间电学隔离。

制作形变电极层时，可先在导电梁和/或微桥桥面上形成具有锥形或矩形等突起形状的牺牲层，然后在牺牲层上沉积形变电极层材料并图形化。最后，通过释放去除牺牲层，形成悬空设置在导电梁和/或微桥桥面上的形变电极层。

综上所述，本发明通过在MEMS结构的悬臂梁或微桥结构等悬空部件上增设形变电极层，当对连接电极层和形变电极层施加电压时，利用所产生的静电力驱使连接电极层和形变电极层相互吸引或排斥，使夹状结构的形变电极层的夹角变大或变小，因而可对连接电极层产生压应力或张应力。这样，就可通过形变电极层对梁或者微桥的形变进行调节，从而实现对悬空部件表面平整的控制。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括悬空部件，所述悬空部件上设有多层电极层，所述电极层包括所述悬空部件自身所需的连接电极层，以及设于所述连接电极层以外的形变电极层，所述形变电极层为空心的夹状结构，其夹头与所述连接电极层绝缘相连；其中，利用施加在所述连接电极层和形变电极层上的电压所产生的相互吸引或排斥作用，使所述形变电极层的夹角变大或变小，以对所述连接电极层产生压应力或张应力，实现所述悬空部件的表面平整。

2.根据权利要求1所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述悬空部件包括悬臂梁或者微桥结构，所述微桥结构包含相连的微桥桥面和导电梁；所述形变电极层和连接电极层设于所述悬臂梁上，或者设于导电梁和/或微桥桥面上。

3.根据权利要求2所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述形变电极层在所述悬臂梁上，或者在所述导电梁和/或微桥桥面上形成以其夹头相连的多个夹状结构。

4.根据权利要求3所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述形变电极层沿所述悬臂梁或者所述导电梁的长度方向设置；所述微桥桥面划分为网格状，每个所述网格区域内设有一个夹状结构的所述形变电极层。

5.根据权利要求1-4任一所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述形变电极层设于所述悬空部件的上侧面和/或下侧面上，所述形变电极层和连接电极层之间设有介质隔离层。

6.根据权利要求1-4任一所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述形变电极层和连接电极层通过同一个支撑及电连接结构分别引出。

7.根据权利要求4所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，设于所述微桥桥面各网格区域内的所述形变电极层，由一块锥形或矩形电极整体形成，各所述形变电极层相互连接形成整体。

8.根据权利要求1-4任一所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述夹状结构为锥形或矩形，所述夹状结构由多个电极条以其一端相交叉设置形成。

9.根据权利要求8所述的改善翘曲程度的MEMS结构，其特征在于，所述夹状结构的由所述多个电极条以其一端相交叉形成的交叉部与非交叉部在材料和尺寸上完全一样；或者，所述交叉部在长、宽和高三维尺寸上小于非交叉部，和/或所述交叉部材料在刚性上小于非交叉部材料；或者，所述交叉部在长、宽和高三维尺寸上大于非交叉部，和/或所述交叉部材料在刚性上大于非交叉部材料。

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