CN110407154B - Mems微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS微执行器，包括：衬底层和位于所述衬底层上的器件层，衬底层上形成有凹槽，凹槽底部形成有上下贯通的通孔；器件层包括样品搭载部，驱动部及电极部，样品搭载部和驱动部位于衬底层的凹槽上；驱动部包括支撑单元和静电梳齿驱动单元，通过静电梳齿驱动单元驱动样品搭载部，在施加外来激励的同时原位动态记录纳米材料的微观结构演化。本申请的MEMS微执行器具有可批量生产，且制作方法简单，响应时间更短，稳定性更好，控制精度更高等优点。本申请的原位单轴拉伸器件，利用了本申请的MEMS微执行器，具有很高的适配性，能避免温度对纳米样品的影响，可在室温下观察纳米样品的显微结构演化过程，并从最佳的晶带轴实现高分辨成像。

Description

MEMS微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及纳米材料研究领域，特别是涉及一种MEMS微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法。

背景技术

纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，它以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的显微世界。随着研究的深入，研究人员发现，当材料的特征尺寸减小至纳米尺度时，由于强烈的尺寸效应，同一材料在纳米结构下的性质相对其宏观结构下的性质表现出很大的差异，比如，SiC陶瓷一般为脆性材料，但是一维SiC纳米线可以表现出很好的塑性；比如金属Cu和半导体Si材料在宏观尺度弹性形变很小，但当其尺寸降低至纳米量级时则可以拉伸至弹性极限等等。这种“反常现象”使得完整表征材料在纳米尺度下的性质对未来纳米级电子器件的研制与应用非常必要。

与静态研究相比，透射电镜(TEM)内原位动态研究可以更好地观察到材料在承受外加激励时产生的一系列变化，这为新材料的研发及应用提供了有利手段。特别是对一维纳米材料进行力学拉伸时，理解纳米材料弹塑性变形特点和变形过程中的缺陷产生以及断裂特点，对研发高性能材料具有十分重要的指导意义。在众多纳米材料的原位透射电镜表征手段中，通过对纳米材料施加应力、电场或热激励来观察纳米材料显微结构的动态变化是极为困难的。为解决这一难题，国内外均投入了大量的人力、物力和财力。目前国内外研究人员已经开发出许多原位透射电镜样品杆和透射电镜原位技术，以在施加外来激励的同时原位动态记录纳米材料的微观结构演化。

市面上已有的商业化样品杆有Gatan公司的654型拉伸样品杆，可实现低速率拉伸，但是该样品杆只能绕α轴进行倾转。虽然对于低指数取向的样品，通过单轴倾转样品杆有可能获得高分辨成像，但是在原子尺度对材料的显微结构进行研究时都要求样品杆能绕α轴和β轴进行双轴倾转。

北京工业大学韩晓东教授开发出适配于双倾加热样品杆的基于形状记忆效应的单轴拉伸芯片样品杆，该芯片可以适配于透射电镜双倾加热样品杆，解决了面内加载和双轴倾转不能同时实现的技术难题，但是该芯片会产生大量的热量，严重影响拉伸过程中的材料显微结构演化。

西北大学Horacio D.Espinosa教授开发出双倾透射电镜MEMS样品杆，该样品杆可以实现力学拉伸及测量，并且还能通过双轴倾转得到材料的高分辨成像，但是该样品杆设计复杂，无法进行量产。

因此发展一种不受温度影响的，能够双轴倾转的，且可以大批量生产应用的原位透射电镜单轴拉伸器件仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS微执行器及其制作方法、以及一种适用于透射电镜的原位单轴拉伸器件，用于解决现有技术中的透射电镜样品杆只能单轴倾转，或是样品杆会对观察样品造成破坏以及样品杆的结构复杂，成本高昂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS微执行器，包括：衬底层和位于所述衬底层上的器件层，所述衬底层上形成有凹槽，所述凹槽底部形成有上下贯通的通孔，所述衬底层表面形成有绝缘膜；所述器件层包括样品搭载部，驱动部及电极部，所述样品搭载部和所述驱动部位于所述衬底层的凹槽上，其中，所述样品搭载部包括固定搭载台和可动搭载台，所述固定搭载台和所述可动搭载台之间有间隙，所述间隙处暴露出所述衬底层的通孔；所述可动搭载台至少包括凸块、第一横梁、第二横梁、拉杆和牵引块，所述凸块位于所述拉杆靠近所述固定搭载台的一侧，所述拉杆一端与所述第一横梁的侧壁以及所述凸块相连接，另一端与所述牵引块相连接，所述第二横梁位于所述拉杆靠近所述牵引块的一端；所述驱动部包括支撑单元和静电梳齿驱动单元；所述支撑单元至少包括可动中心柱，所述驱动部在靠近所述可动搭载台的一侧具有一牵引框，所述牵引框固定于所述可动中心柱靠近所述样品搭载部的一端，所述牵引框具有一开口，所述牵引块位于所述牵引框内，所述拉杆位于所述牵引框外，且所述牵引块经由一连接杆与所述拉杆相连接；所述开口的横向尺寸小于所述牵引块的横向尺寸及所述拉杆的横向尺寸，且大于所述连接杆的横向尺寸，以使所述驱动部可以通过所述牵引框拉动所述牵引块，从而驱动所述可动搭载台；所述静电梳齿驱动单元包括多对对应设置的可动梳齿结构和固定梳齿结构，所述可动梳齿结构的梳齿和所述固定梳齿结构的梳齿交错设置，所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构分别对称设置于所述可动中心柱两侧，所述可动梳齿结构一端与所述可动中心柱固定连接，所述固定梳齿结构与所述衬底层相连接；电极部，所述电极部包括驱动电极、接地电极和测试电极；所述驱动电极与所述固定梳齿结构电连接，所述接地电极与所述可动梳齿结构均电连接，所述测试电极与所述固定搭载台电连接。

优选地，所述支撑单元还包括第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁位于所述可动中心柱的两端且与所述可动中心柱相连接，且所述第一支撑梁和所述第二支撑梁远离所述可动中心柱的一端分别与所述衬底层相连接。

优选地，所述衬底层的表面形状呈正六边形，且所述衬底层的最大横向尺寸小于等于 1.8mm。

优选地，所述固定搭载台和所述可动搭载台之间的间隙介于3μm～10μm之间。

优选地，所述可动中心柱为空心柱。

优选地，所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构的梳齿的对数大于等于500，且所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构中，相邻所述梳齿之间的距离介于2μm～5μm之间。

本发明还提供一种适用于透射电镜的原位单轴拉伸器件，包括支撑基座以及如上述任一项中所述的MEMS微执行器；所述支撑基座内部形成有容纳腔，所述容纳腔的底部设有上下贯穿所述容纳腔底部的贯通孔；所述MEMS微执行器位于所述容纳腔内，其中，所述衬底层中的所述通孔位于所述贯通孔上方。

优选地，所述支撑基座的容纳腔的表面形状呈圆形。

优选地，所述MEMS微执行器的顶部与所述支撑基座的顶部平齐。

更优选地，所述容纳腔的高度介于170μm～250μm之间。

优选地，所述支撑基座的材质为铜。

优选地，所述原位单轴拉伸器件还包括电极引线，所述电极引线分别与所述驱动电极、所述接地电极和所述测试电极相连接。

本发明还提供一种MEMS微执行器的制作方法，包括步骤：

1)提供一双抛(100)单晶硅片作为衬底层，于衬底层内形成凹槽，于所述衬底表面和所述凹槽表面形成一氧化膜；

2)于所述凹槽内形成一深孔；

3)提供另一双抛(100)单晶硅片作为器件层，于所述器件层内刻蚀形成样品搭载部的对应区域和支撑单元的对应区域；

4)将所述衬底层和所述器件层进行键合，其中，所述器件层的所述样品搭载部的对应区域和所述衬底层的深孔上下贴合，之后对键合后的所述器件层进行减薄；

5)于减薄后的所述器件层上表面形成电极部；

6)对所述衬底层进行减薄以使所述深孔上下贯通；

7)对所述器件层继续进行刻蚀，以释放所述样品搭载部、所述静电梳齿驱动单元及所述支撑单元。

如上所述，本发明的MEMS微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法具有以下有益效果：

1、本发明的MEMS微执行器和原位单轴拉伸器件基于成熟的MEMS制作工艺，可实现批量生产，且制作方法简单，能有效降低成本。

2、本发明的MEMS微执行器相较于以往基于温度驱动的MEMS微执行器，其响应时间更短，稳定性更好，控制精度更高。

3、本发明的原位单轴拉伸器件能避免温度对纳米样品的影响，可在室温下观察纳米样品的显微结构演化过程。

4、本发明的原位单轴拉伸器件能提供足够的单轴静电拉伸力，可以通过精确控制电压来控制拉伸力，实现可控的纳米材料拉伸。

5、本发明的原位单轴拉伸器件还可以通过配备可编程电压输出系统，通过循环加载-卸载电压，实现纳米样品的快速循环伸缩，适用于在原子尺度原位动态对材料进行疲劳分析测试。

6、本发明的原位单轴拉伸器件的尺寸可基于商用的Cu载网尺寸进行定制，因而可以方便的装入商用的透射电镜样品杆，可以实现双轴大角度倾转，可以在透射电镜内原位拉伸变形时从最佳的晶带轴实现高分辨成像。

7、本发明的原位单轴拉伸器件附加了纳米样品电性能测试电极，可以原位测量纳米样品变形过程中电导率变化。

附图说明

图1显示为本发明的实施例一的MEMS微执行器的平面结构示意图，其中，图1 同时显示为实施例二中的原位单轴拉伸器件的平面结构示意图。

图2显示为图1中的A区域的局部放大示意图。

图3显示为图1中的B区域的局部放大示意图。

图4显示为图1中的C区域的局部放大示意图。

图5显示为本发明的实施例三的MEMS微执行器的制作方法的流程图。

图6a至图6g显示为本发明的实施例三的MEMS微执行器的制作方法的各步骤所呈现出的截面结构示意图。

元件标号说明

1 衬底层

2 器件层

21 样品搭载部

21a 样品搭载部的对应区域

211 固定搭载台

212 可动搭载台

2121 凸块

2122 第一横梁

2123 拉杆

2124 牵引块

2125 第二横梁

213 间隙

2211 可动中心柱

2212 第一支撑梁

2213 第二支撑梁

2221 可动梳齿结构

2222 固定梳齿结构

223 牵引框

2231 开口

2232 连接杆

231 驱动电极

232 接地电极

233 测试电极

3 支撑基座

31 容纳腔

311 贯通孔

41 凹槽

42 氧化膜

43 深孔

221a 支撑单元的对应区域

d 相邻梳齿之间的距离

S1～S7 步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图6g。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图1至图4所示，本发明提供一种MEMS微执行器，包括：衬底层1和位于所述衬底层1上的器件层2(图1中未图示，请参考文字描述并参阅图6c)，所述衬底层1上形成有凹槽41，所述凹槽41底部形成有上下贯通的通孔(未图示)，所述衬底层1表面形成有绝缘膜(图1中未图示)；所述器件层2包括样品搭载部21，驱动部及电极部，所述样品搭载部 21和所述驱动部位于所述衬底层1的凹槽41(图1中未图示，请参考文字描述并参阅图6a) 上，其中，所述样品搭载部21包括固定搭载台211和可动搭载台212，所述固定搭载台211 和所述可动搭载台212之间有间隙213，所述间隙213处暴露出所述衬底层1的通孔(未图示)；所述可动搭载台212至少包括凸块2121、第一横梁2122、第二横梁2125、拉杆2123 和牵引块2124，所述凸块2121位于所述拉杆2123靠近所述固定搭载台211的一侧，所述拉杆2123一端与所述第一横梁2122的侧壁以及所述凸块2121相连接，另一端与所述牵引块 2124相连接，所述第二横梁2125位于所述拉杆2123靠近所述牵引块2124的一端，即所述第一横梁2122和所述第二横梁2125均与所述拉杆2123垂直相交且所述第一横梁2122和所述第二横梁2125相平行。通过将所述第一横梁2122和所述第二横梁2125设置于所述拉杆 2123的两端，可以使整个所述MEMS微执行器的重心更平衡，结构更稳定；驱动部包括支撑单元和静电梳齿驱动单元；所述支撑单元至少包括可动中心柱2211，所述驱动部在靠近所述可动搭载台212的一侧具有一牵引框223，所述牵引框223固定于所述可动中心柱2211靠近所述样品搭载部21的一端，所述牵引框223具有一开口2231，所述牵引块2124位于所述牵引框223内，所述拉杆2123位于所述牵引框223外，且所述牵引块2124经由一连接杆2232 与所述拉杆2123相连接，具体可参考图3；所述开口2231的横向尺寸小于所述牵引块2124 的横向尺寸及所述拉杆2123的横向尺寸，且大于所述连接杆2232的横向尺寸，以使所述驱动部可以通过所述牵引框223拉动所述牵引块2124，从而驱动所述可动搭载台212；所述静电梳齿驱动单元包括多对对应设置的可动梳齿结构2221和固定梳齿结构2222，所述可动梳齿结构2221的梳齿和所述固定梳齿结构2222的梳齿交错设置，其所述梳齿的法向均与所述可动中心柱2211垂直，所述可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222分别对称设置于所述可动中心柱2211两侧，所述可动梳齿结构2221一端与所述可动中心柱2211固定连接，所述固定梳齿结构2222与所述衬底层1相连接；电极部，所述电极部包括驱动电极231、接地电极232和测试电极233；所述驱动电极231与所述固定梳齿结构2222电连接，所述接地电极232与所述可动梳齿结构2221电连接，所述测试电极233与所述固定搭载台211电连接。

作为示例，所述衬底层1表面形成有绝缘膜(图1中未示出)，以使所述衬底层1与所述器件层2绝缘，所述绝缘膜可以为但不仅限为氧化膜。

作为示例，所述器件层2和所述衬底层1的基底材料都是双抛(100)单晶硅片，所述器件层2的主体结构都位于所述衬底层1的凹槽41上，换而言之，其通过所述第一横梁2122以及所述支撑单元的支撑作用使得其他结构处于悬空状态，具体的，所述第一横梁2122沿左右两端延伸至与所述衬底层1相连接。所述第一横梁2122可以不止为一个。所述第一横梁2122的横向尺寸可以介于5μm～10μm之间，也可以依需要有其他选择，但太小容易导致所述可动搭载台212不稳定，太大容易使得器件拉伸位移不够，可能对后续测试有影响。

所述固定搭载台211和所述可动搭载台212的横向尺寸同样可以依需要设置，尤其是依测试样品的尺寸而定，测试样品一端连接至所述固定搭载台211，另一端连接至所述可动搭载台212，具体如图2所示，所述固定搭载台211和所述可动搭载台212之间的间隙213就是用来观察测试样品的位置。考虑到现在市面上商用的透射电镜产品，该间隙213的距离宜设置在3μm～10μm之间。

作为示例，所述支撑单元还包括第一支撑梁2212和第二支撑梁2213，所述第一支撑梁 2212和所述第二支撑梁2213位于所述可动中心柱2211的两端且与所述可动中心柱2211相连接，所述第一支撑梁2212和所述第二支撑梁2213沿垂直于所述可动中心柱2211的方向上向两侧延伸直至与所述衬底层1相连接以进一步固定所述器件层2，使所述样品搭载部21和所述驱动部能稳稳地位于所述衬底层1的凹槽41上而不至于往下陷，所述第一支撑梁2212 和所述第二支撑梁2213的横向尺寸可参考前述第一横梁2122的尺寸。当然，为保证所述支撑单元的支撑效果，还可以在所述可动中心柱2211的中间位置进一步设置其他横梁，具体不做限制。

作为示例，所述驱动电极231可以设置于所述器件层2远离于所述固定搭载台211的一侧，相应地，所述接地电极232和所述测试电极233位于相对的另一侧且所述接地电极232 和所述测试电极233分别位于所述固定搭载台211的两边，且所述测试电极233还分布于所述可动搭载台212的所述第一横梁2122上，以实现对所述移动载台施加电压。所述驱动电极 231、所述接地电极232和所述测试电极233的尺寸大小及形状以便于后续加工工艺为宜，比如大于一150μm×150μm的焊点尺寸，本实施中，为和所述器件层2的总体结构相匹配，所述接地电极232和所述测试电极233优选为90度角的扇形结构，所述驱动电极231为一180度角的扇形结构。

作为示例，所述衬底层1的表面形状呈正六边形，且所述衬底层1的最大横向尺寸小于等于1.8mm，当然，所述衬底层1的表面形状还可以为其他形状，如圆形，四边形，五边形，八边形等，但从设计和加工的角度考量则优选正六边形，这样便于划片,且在后续的过程中制作出更多的梳齿数，有利于提升所述MEMS微执行器的性能。

作为示例，所述可动中心柱2211为空心柱，以进一步减小所述支撑单元的总体重量，当然，兼顾到稳定性，可以在所述可动中心柱2211间设置小的支撑细梁。由于要起到支撑作用，所述可动中心柱2211的横向尺寸可以略大，比如大于20μm，为使位于其两侧的可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222的数量尽量多，其长度可以设置地较大，比如大于整个所述器件层2最大横向尺寸的1/4，更具体的，介于0.8mm～1.5mm之间。

作为示例，所述可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222包含的总的梳齿对数大于 700，且相邻所述梳齿之间的距离d介于2μm～5μm之间，具体如图4所示。为便于精确测量，每相邻的两个所述梳齿之间的距离d优选一致。且综合制作的难度以及器件的性能，相邻所述梳齿之间的距离d优选介于2μm～3μm之间。本实施例中，所述器件层2的表面形状是正六边形，在越靠近所述器件层2的中间位置的所述可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222中包含的梳齿数越多，随着离所述器件层2的中间位置越远，所述可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222中包含的梳齿数渐次减少，尤其是在位于所述器件层2边缘处的所述可动梳齿结构2221和所述固定梳齿结构2222中包含的梳齿数量最少，以和所述器件层2 的正六边形结构相匹配。

本实施例中的MEMS微执行器是利用静电梳齿驱动原理，对所述驱动部施加电压后，所述固定梳齿结构2222对所述可动梳齿结构2221产生静电吸引力，使得所述可定梳齿结构向所述固定梳齿结构2222靠近，这种产生的静电吸引力成为一种静电驱动力，拉动所述可动中心柱2211，继而所述牵引框拉动所述牵引块2124，从而驱动所述可动搭载台212，此时放置于所述固定搭载台211和所述可动搭载台212之间的测试样品开始拉伸形变，利用透射电镜可以实时观察整个形变过程并进行记录。同时，可以通过控制电压变化速率来调整测试样品的形变速率，以从更精细微观的角度揭示测试样品在纳米尺度的动态变化。当然，测试部分的内容将在后文继续介绍，此处重点想说明的是，在这个测试过程中，所述驱动部的作用非常关键，因为如果产生的静电驱动力太小，则很难使测试样品产生拉伸形变；但如果所述驱动部的设计不合理，所述驱动部自身的结构有可能在驱动过程中产生断裂，影响测试效果。而本实施例中，通过对整个所述MEMS微执行器，特别是对其中的所述驱动部进行精心的结构设计，能保证所述驱动部产生较大的静电驱动力，而所述牵引块2124和所述牵引框223等结构的巧妙设计，能避免所述MEMS微执行器在操作过程中被拉断；测试样品的形变过程完全通过静电驱动激励，控制过程可以达到非常精确的水平，完全不会对测试样品产生任何不良影响，能最真实反映测试样品在纳米尺度上的微观结构演化过程，为纳米材料研究提供了一种更有效的研究手段。

实施例二

如图1所示，本发明还提供一种适用于透射电镜的原位单轴拉伸器件，包括支撑基座3 以及如实施例一中所述的MEMS微执行器；所述支撑基座3内部形成有容纳腔31，所述容纳腔31的底部设有上下贯穿所述容纳腔31底部的贯通孔311；所述MEMS微执行器位于所述容纳腔31内，其中，所述衬底层1中的所述通孔位于所述贯通孔311上方。

作为示例，所述支撑基座3的容纳腔31的表面形状呈圆形，为与所述容纳腔31相匹配，所述MEMS微执行器的整体的表面形状优选呈正六边形，且正六边形的顶点外接所述容纳腔31的边缘。当然，所述容纳腔31的设计还可以有其他选择，但重要的是根据所述容纳腔31设置匹配的MEMS微执行器的整体结构，使原位单轴拉伸器件整体性能最优。所述容纳腔31底部的所述贯通孔311是测试样品的观测口，因而需保持绝对的通透且所述MEMS 微执行器的所述器件层2中的所述固定搭载台211和所述可动搭载台212之间的所述间隙 213，以及所述衬底层1中的所述通孔需与该贯通孔311严格对准，以达到最好的观察效果。一般的，所述容纳腔31的直径介于1.8mm-2mm。

作为示例，所述MEMS微执行器的顶部与所述支撑基座3的顶部平齐，即所述MEMS微执行器的厚度和所述容纳腔31的高度一致，均介于170μm～250μm之间，所述支撑基座3的总体高度可以依需要设置，比如依据其使用的材料不同以及具体的结构不同可以有差异。本实施例中，所述支撑基座3的材质为铜，更具体的，采用7层圆孔铜环与1层椭圆铜环胶黏而成，且本实施例中，所述支撑基座3的高度介于200μm～280μm之间。当然，在其他示例中，所述支撑基座3的设置还可以有其他选择，具体不做限制。

作为示例，所述原位单轴拉伸器件还包括电极引线(未图示)，所述电极引线至少为3 根，分别与所述驱动电极231、所述接地电极232和所述测试电极233相连接。所述电极引线可以选用导电漆包线，具体的，比如选用直径70um的铜漆包线，为使本实施例的原位单轴拉伸器件与现在市面上常用的透射电镜匹配，所述电极引线的长度可以设置在1.5cm左右。

具体的，本实施例中的原位单轴拉伸器件的安装和使用方法示例如下：

利用胶水将实施例一中的MEMS微执行器贴装在所述支撑基座3上，然后利用导电银浆将所述电极引线，比如铜漆包线一端分别固定在所述驱动电极231、所述接地电极232和所述测试电极233上。在聚焦离子束系统中，利用纳米机械手将纳米样品一端固定在所述固定载物台上，另一端固定在所述移动载物台上，然后将加载好样品的所述MEMS微执行器固定在一双轴倾转样品杆上，比如Gatan公司646加电场双轴倾转样品杆上，从而可以实现绕α轴和β轴双轴大角度倾转；接着，将铜漆包线另一端固定在双轴倾转样品杆上的电极基座上，最后将样品杆放入透射电镜中。通过双轴倾转样品杆，使电子束入射方向与样品的低指数晶带轴平行，调整光栅和放大倍数，可以在透射电镜内原位拉伸变形时从最佳的晶带轴实现高分辨成像。通过控制外加电压，所述可动梳齿结构2221带动所述可动中心柱2211，进而拉动所述可动搭载台212，使得所述可动搭载台212和所述固定搭载台211之间的所述间隙213开始增大，此时开始对纳米样品进行拉伸。同时，通过控制外加的电压可以控制纳米样品的形变速率，整个观察过程精确可控；进一步的，还可以配备可编程电压输出系统，通过循环加载-卸载电压，实现纳米样品的快速循环伸缩，实现在原子尺度原位动态对材料进行疲劳分析测试。此外，还可以通过透射电镜CCD成像系统，原位记录样品变形过程纳米材料显微结构的演化过程，揭示材料的变形机理。不仅如此，本实施例的原位单轴拉伸器件因为添加了测试纳米样品电性能的测试电极233，因而可以原位测量纳米样品形变过程中的电导率变化。

当然，上述描述仅是本实施例的原位单轴拉伸器件的示例性安装和使用方法，实际过程中根据需要和已有的实验条件可以有其他调整，比如，所述导电银浆也可以换做其他导电材料，漆包线也不限于铜漆包线，具体不做限制。

实施例三

如图5至图6g所示，本发明还提供一种基于实施例一中的MEMS微执行器的制作方法，包括如下步骤：

1)提供一双抛(100)单晶硅片作为衬底层，于衬底层内形成凹槽，于所述衬底表面和所述凹槽表面形成一氧化膜；

2)于所述凹槽内形成一深孔；

3)提供另一双抛(100)单晶硅片作为器件层，于所述器件层内刻蚀形成样品搭载部的对应区域和支撑单元的对应区域；

4)将所述衬底层和所述器件层进行键合，其中，所述器件层的所述样品搭载部的对应区域和所述衬底层的深孔上下贴合，之后对键合后的所述器件层进行减薄；

5)于减薄后的所述器件层上表面形成电极部；

6)对所述衬底层进行减薄以使所述深孔上下贯通；

7)对所述器件层继续进行刻蚀，以释放所述样品搭载部、所述静电梳齿驱动单元及所述支撑单元。

请参照图5的步骤S1及图6a，提供一双抛(100)单晶硅片作为衬底层1，于衬底层1内形成凹槽41，于所述衬底表面和所述凹槽41表面形成一氧化膜42。选择双抛(100)单晶硅片是因为其在刻蚀过程中表现出良好的各向异性刻蚀特性，因而适于本申请的设计；形成所述凹槽41的方法可以包括光刻加刻蚀，所述凹槽41的深度可以依后续需形成的结构而定，比如为5μm左右，形成所述氧化膜42的方法可以但不限于热氧化法和化学气相沉积方法，所述氧化膜42的厚度可以依需要而定，该氧化膜42最终保留在所述衬底层1的表面，即对应实施例一中提及的所述衬底层1上的绝缘膜，所述氧化膜42用以保护所述衬底层1，同时使所述衬底层1和所述器件层2之间绝缘。

请参照图5的步骤S2及图6b，于所述凹槽41内形成一深孔43，形成所述深孔43的方法可以包括光刻加刻蚀，所述深孔43是用作观察样品的窗口，因而深度需要比较大，比如可以为160um左右。

请参照图5的步骤S3及图6c，提供另一双抛(100)单晶硅片作为器件层2，于所述器件层2内刻蚀形成样品搭载部21的对应区域21a和支撑单元的对应区域221a，即实施例一中的所述样品搭载部21和所述支撑单元的结构将分别在这两个区域内形成。这两个区域的具体尺寸需考虑所需制备的所述样品搭载部21和所述支撑单元的结构和尺寸，制作方法同样可以通过常规的光刻加刻蚀工艺实现。比起制作过程，前期的图形设计过程和制作流程的制定更为重要。本申请的发明人从实际需求出发，经过反复研究和实验，设计并制作出了本申请的实施例一中的MEMS微执行器。

请参照图5的步骤S4及图6d，将所述衬底层1和所述器件层2进行键合，其中，所述器件层2的所述样品搭载部21的对应区域21a和所述衬底层1的深孔43上下贴合，之后对键合后的所述器件层2进行减薄。具体的键合过程可以通过在惰性气体环境下的高温热键合实现，所述减薄过程可以通过刻蚀和/或CMP方法实现，具体不做限制。

请参照图5的步骤S5及图6e，于减薄后的所述器件层2上表面形成电极部，形成所述电极部的方法包括但不限于溅射法加光刻刻蚀，即先在所述器件层2上表面沉积一电极材料层，之后通过光刻刻蚀形成所需的所述电极部结构，所述电极材料层的材料包括但不限于各类金属材料，比如金，所述电极材料层的厚度可以依需要设定，比如介于100nm～300nm之间，并且，在形成所述电极材料层之前还可以先沉积一粘附层，比如一Ti/W层或Ni，以增强所述电极材料层和所述器件层2之间的粘附性。

请参照图5的步骤S6及图6f，对所述衬底层1进行减薄以使所述深孔43上下贯通，从而形成所述衬底层1的通孔，比如减薄至160μm左右，该减薄过程同样可以通过刻蚀和/或CMP工艺实现。

请参照图5的步骤S7及图6g，对所述器件层2继续进行刻蚀，以释放所述样品搭载部 21、所述静电梳齿驱动单元及所述支撑单元。该步骤的方法同样可以采用光刻加刻蚀的方法，所述MEMS微执行器的其他结构，包括最终的所述样品搭载部21和所述支撑单元的完整结构(包括位于图6g中的Z区域)都将在最终的步骤中统一完成。特别需要再次说明的是，由于本实施例的图示并不是沿所述可动中心柱2211的中心的截面示意图，而是沿图1中箭头方向的截面结构示意图，故实施例一中的MEMS微执行器的所有结构并未在该实施例中全部体现，具体还请参考本申请的实施例一中的图示。

本实施例的MEMS微执行器的制作方法，其制作过程的每一步所使用的方法都是现有的半导体制作工艺中的常规方法，相应的制作设备和制作条件都非常成熟，故实施例中不具体展开。本实施例的MEMS微执行器的制作方法，最关键的部分是前期对所述MEMS微执行器的结构设计，以及依设计的所述MEMS微执行器的结构对整个制作流程进行合理规划，依托现有的成熟的MEMS器件制作工艺，实现本申请的实施例一中的MEMS微执行器的批量生产，整个制作过程非常简洁、制作方法简单，能有效降低成本，使得本实施例一中的MEMS微执行器以及实施例二中的原位单轴拉伸器件的大规模生产和应用成为可能。

综上所述，本发明提供一种MEMS微执行器，包括：衬底层和位于所述衬底层上的器件层，所述衬底层上形成有凹槽，所述凹槽底部形成有上下贯通的通孔；所述器件层包括样品搭载部，驱动部及电极部，所述样品搭载部和所述驱动部位于所述衬底层的凹槽上，其中，所述样品搭载部包括固定搭载台和可动搭载台，所述固定搭载台和所述可动搭载台之间有间隙，所述间隙处暴露出所述衬底层的通孔；所述可动搭载台至少包括凸块、第一横梁、拉杆和牵引块，所述凸块位于所述拉杆靠近所述固定搭载台的一侧，所述拉杆一端与所述第一横梁的侧壁以及所述凸块相连接，另一端与所述牵引块相连接；所述驱动部包括支撑单元和静电梳齿驱动单元；所述支撑单元至少包括可动中心柱，所述驱动部在靠近所述可动搭载台的一侧具有一牵引框，所述牵引框固定于所述可动中心柱靠近所述样品搭载部的一端，所述牵引框具有一开口，所述牵引块位于所述牵引框内，所述拉杆位于所述牵引框外，且所述牵引块经由一连接杆与所述拉杆相连接；所述开口的横向尺寸小于所述牵引块的横向尺寸及所述拉杆的横向尺寸，且大于所述连接杆的横向尺寸，以使所述驱动部可以通过所述牵引框拉动所述牵引块，从而驱动所述可动搭载台；所述静电梳齿驱动单元包括多对对应设置的可动梳齿结构和固定梳齿结构，所述可动梳齿结构的梳齿和所述固定梳齿结构的梳齿交错设置，所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构分别对称设置于所述可动中心柱两侧，所述可动梳齿结构一端与所述可动中心柱固定连接，所述固定梳齿结构与所述衬底层相连接；电极部，所述电极部包括驱动电极、接地电极和测试电极；所述驱动电极与所述固定梳齿结构电连接，所述接地电极与所述可动梳齿结构电连接，所述测试电极与所述固定搭载台电连接。

本发明的MEMS微执行器、原位单轴拉伸器件及其制作方法具有以下有益效果：

1、本发明的MEMS微执行器和原位单轴拉伸器件基于成熟的半导体制作工艺，可实现批量生产，且制作方法简单，能有效降低成本。

2、本发明的MEMS微执行器相较于以往基于温度驱动的MEMS微执行器，其响应时间更短，稳定性更好，控制精度更高。

3、本发明的原位单轴拉伸器件能避免温度对纳米样品的影响，可在室温下观察纳米样品的显微结构演化过程。

4、本发明的原位单轴拉伸器件能提供足够的单轴静电拉伸力，可以通过精确控制电压来控制拉伸力，实现可控的纳米材料拉伸。

5、本发明的原位单轴拉伸器件还可以通过配备可编程电压输出系统，通过循环加载-卸载电压，实现纳米样品的快速循环伸缩，适用于在原子尺度原位动态对材料进行疲劳分析测试。

6、本发明的原位单轴拉伸器件的尺寸可基于商用的Cu载网尺寸进行定制，因而可以方便的装入商用的透射电镜样品杆，可以实现双轴大角度倾转，可以在透射电镜内原位拉伸变形时从最佳的晶带轴实现高分辨成像。

7、本发明的原位单轴拉伸器件附加了纳米样品电性能测试电极，可以原位测量纳米样品变形过程中电导率变化。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种MEMS微执行器，其特征在于，包括：

衬底层，所述衬底层上形成有凹槽，所述凹槽底部形成有上下贯通的通孔，所述衬底层表面形成有绝缘膜；

器件层，位于所述衬底层上，所述器件层包括样品搭载部，驱动部及电极部，所述样品搭载部和所述驱动部位于所述衬底层的凹槽上，其中，

样品搭载部包括固定搭载台和可动搭载台，所述固定搭载台和所述可动搭载台之间有间隙，所述间隙处暴露出所述衬底层的通孔，其中，所述可动搭载台至少包括凸块、第一横梁、第二横梁、拉杆和牵引块，所述凸块位于所述拉杆靠近所述固定搭载台的一侧，所述拉杆一端与所述第一横梁的侧壁以及所述凸块相连接，另一端与所述牵引块相连接，所述第二横梁位于所述拉杆靠近所述牵引块的一端；

驱动部包括支撑单元和静电梳齿驱动单元；所述支撑单元至少包括可动中心柱，所述驱动部在靠近所述可动搭载台的一侧具有一牵引框，所述牵引框固定于所述可动中心柱靠近所述样品搭载部的一端，所述牵引框具有一开口，所述牵引块位于所述牵引框内，所述拉杆位于所述牵引框外，且所述牵引块经由一连接杆与所述拉杆相连接；所述开口的横向尺寸小于所述牵引块的横向尺寸及所述拉杆的横向尺寸，且大于所述连接杆的横向尺寸，以使所述驱动部可以通过所述牵引框拉动所述牵引块，从而驱动所述可动搭载台；所述静电梳齿驱动单元包括多对对应设置的可动梳齿结构和固定梳齿结构，所述可动梳齿结构的梳齿和所述固定梳齿结构的梳齿交错设置，所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构分别对称设置于所述可动中心柱两侧，所述可动梳齿结构一端与所述可动中心柱固定连接，所述固定梳齿结构与所述衬底层相连接；

电极部，所述电极部包括驱动电极、接地电极和测试电极，其中，所述驱动电极与所述固定梳齿结构电连接，所述接地电极与所述可动梳齿结构电连接，所述测试电极与所述固定搭载台电连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS微执行器，其特征在于：所述支撑单元还包括第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁位于所述可动中心柱的两端且与所述可动中心柱相连接，所述第一支撑梁和所述第二支撑梁沿垂直于所述可动中心柱的方向上向两侧延伸，且所述第一支撑梁和所述第二支撑梁远离所述可动中心柱的一端分别与所述衬底层相连接。

3.根据权利要求1所述的MEMS微执行器，其特征在于：所述衬底层的表面形状呈正六边形，且所述衬底层的最大横向尺寸小于等于1.8mm。

4.根据权利要求1所述的MEMS微执行器，其特征在于：所述固定搭载台和所述可动搭载台之间的间隙介于3μm～10μm之间。

5.根据权利要求1所述的MEMS微执行器，其特征在于：所述可动中心柱为空心柱。

6.根据权利要求1至5任一项所述的MEMS微执行器，其特征在于：所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构的梳齿的对数大于等于500，且所述可动梳齿结构和所述固定梳齿结构中，相邻所述梳齿之间的距离介于2μm～5μm之间。

7.一种适用于透射电镜的原位单轴拉伸器件，其特征在于，包括：

支撑基座，所述支撑基座内部形成有容纳腔，所述容纳腔的底部设有上下贯穿所述容纳腔底部的贯通孔；及，

如权利要求1至6任一项所述的MEMS微执行器，所述MEMS微执行器位于所述容纳腔内，其中，所述衬底层中的所述通孔位于所述贯通孔上方。

8.根据权利要求7所述的原位单轴拉伸器件，其特征在于：所述支撑基座的容纳腔的表面形状呈圆形。

9.根据权利要求7所述的原位单轴拉伸器件，其特征在于：所述MEMS微执行器的顶部与所述支撑基座的顶部平齐。

10.根据权利要求9所述的原位单轴拉伸器件，其特征在于：所述容纳腔的高度介于170μm～250μm之间。

11.根据权利要求7所述的原位单轴拉伸器件，其特征在于：所述支撑基座的材质为铜。

12.根据权利要求7所述的原位单轴拉伸器件，其特征在于：所述原位单轴拉伸器件还包括电极引线，所述电极引线分别与所述驱动电极、所述接地电极和所述测试电极相连接。

13.一种如权利要求1至6任一项所述的MEMS微执行器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

1)提供一双抛(100)单晶硅片作为衬底层，于衬底层内形成凹槽，于所述衬底层表面和所述凹槽表面形成一氧化膜；

2)于所述凹槽内形成一深孔；

3)提供另一双抛(100)单晶硅片作为器件层，于所述器件层内刻蚀形成样品搭载部的对应区域和支撑单元的对应区域；

4)将所述衬底层和所述器件层进行键合，其中，所述器件层的所述样品搭载部的对应区域和所述衬底层的深孔上下贴合，之后对键合后的所述器件层进行减薄；

5)于减薄后的所述器件层上表面形成电极部；

6)对所述衬底层进行减薄以使所述深孔上下贯通；

7)对所述器件层继续进行刻蚀，以释放所述样品搭载部、所述静电梳齿驱动单元及所述支撑单元。

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