CN111792618A - 基于异质驱动单元的微型热力阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异质驱动单元的微型热力阵列及其制备方法，所示基于异质驱动单元的微型热力阵列，包括：衬底，所述衬底上设有呈阵列状布置的多个微驱动器，所述微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱，所述薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且所述导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部。本发明能够改善内部热场分布均匀性和传输速度，有效提升热驱动的效率，能够显著的改善聚合物内部的温度场分布的均匀性，充分发挥聚合物的热膨胀系数大的优点，最大效率的提升驱动效率，提升驱动结构末端响应位移，能够实现对典型的微机电系统结构(如薄板等)加工误差或面外变形的精准调控/矫正。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种基于异质驱动单元的微型热力阵列及其制备方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)器件常用的主动调控技术有静电驱动、压电驱动和热驱动等。静电调控技术可实现对MEMS器件变形的调控，由于静电吸合及动态调节范围限制等使其应用受到制约。压电驱动是应用非常普遍的驱动方式，但较大工作电压成为应用的瓶颈所在。相对而言，热驱动方式具备静态位移大、驱动力强、易于集成等特点。
目前，常用方法是通过在四支撑梁上布置微驱动器调控平板结构位移，但这种方式只能实现结构上下平动不具备调控局部变形的能力。通常选择SU8光刻胶作为执行材料，其以稳定的机械和化学特性在MEMS领域得到了广泛应用。由于其独特的工艺特性及在制备高深宽比3D结构场合展现了独特优势，SU8具备聚合物材料典型的热膨胀系数大而得到广泛应用，如微夹持机构、操控平台及微变形镜等。
但传统的方式存在热响应时间比较长，为了提高热响应速度需改善驱动单元内部的温度场分布和响应时间等。因此，选择具有大膨胀系数的环氧树脂胶的聚合物作为驱动材料时，虽然具有驱动电压低和驱动位移大等显著优点，然而热传导系数慢、温度场分布不均匀等问题限制了其进一步应用。特别是聚合物驱动单元尺寸较大时，热量从热源一端向执行器末端传导，由于热导率低或热容大等原因导致热响应时间比较长，进而使驱动效果不能充分发挥和热驱动器末端位移小，达到稳态需要较长的时间，因此这会在很大程度上影响设计的驱动效果的发挥。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于异质驱动单元的微型热力阵列及其制备方法，能够改善驱动单元内部热场分布均匀性和传输速度，有效提升热驱动的效率，充分发挥聚合物的热膨胀系数大的优点，最大效率的提高驱动效率，提升驱动结构末端位移响应。
第一方面，本发明实施例提供一种基于异质驱动单元的微型热力阵列，包括：
衬底，所述衬底上设有呈阵列状布置的多个微驱动器，所述微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱，所述薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且所述导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部。
可选的，所述衬底为玻璃衬底。
可选的，所述薄膜电阻加热器为Ti薄膜电阻加热器，所述衬底上设有薄膜电阻加热器的电连接端子，所述Ti薄膜电阻加热器和实时电连接端子之间的导电膜引线为由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构，所述Al薄膜作为导电层沉积在Ti薄膜上。
可选的，所述Ti薄膜电阻加热器为由Ti薄膜构成弯曲的蛇形走线结构。
可选的，所述导热硅柱为采用干法刻蚀制备后与衬底1阳极键合连接。
可选的，所述聚合物驱动结构层为环氧树脂。
可选的，所述阵列状布置为环形阵列、线性阵列、放射性阵列中的任一种。
第二方面，本发明实施例还提供一种前述基于异质驱动单元的微型热力阵列的制备方法，包括：
S1、将衬底进行清洗和干燥处理；
S2、在衬底上制备薄膜电阻加热器；
S3、采用掩膜制备带有导热硅柱的晶圆片；
S4、将带有薄膜电阻加热器的衬底、晶圆片进行键合；
S5、按照制备带有导热硅柱的晶圆片的原有的掩膜进行晶圆片的背面刻蚀，直到晶圆片被完全刻蚀穿；
S6、在衬底的薄膜电阻加热器和导热硅柱上方涂覆聚合物形成聚合物驱动结构层，在通过掩模版对聚合物驱动结构层进行光刻后，在显影液中进行显影处理；
S7、进行激光划片切割得到可用于和待调控器件进行集成的成品。
可选的，S2的详细步骤包括：
S21、通过磁控溅射工艺先在衬底上沉积一层Ti薄膜，再通过磁控溅射工艺在Ti薄膜上再沉积一层Al薄膜；
S22、在Al薄膜表面旋涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻图形化处理，先在铝腐蚀液中刻蚀除去Al薄膜的多余部分，再在钛腐蚀液中刻蚀除去Ti薄膜的多余部分，使得制备形成由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构；
S23、利用第二掩模版进行光刻图形化处理，在所述由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构中薄膜电阻加热器对应位置处去除多余的Al薄膜形成作为薄膜电阻加热器的Ti薄膜电阻加热器。
可选的，S3的详细步骤包括：
S31、准备单晶硅制成的晶圆片，所述晶圆片进行双面甩胶、光刻；
S32、对晶圆片进行背面光刻，并制备掩膜；
S33、采用掩膜对晶圆片进行单面干法刻蚀直至预定的深度值。
籍由上述技术方案，本发明提供的基于异质驱动单元的微型热力阵列及其制备方法，基于异质驱动单元的微型热力阵列的微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱，薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部，通过在聚合物驱动结构层内部集成具有高热导率和低热容量的导热硅柱作为热传导材料，导热硅柱具有较高的热导率和较低的热容，因此驱动热源的热量经导热硅柱可快速传导至驱动结构的末端，提升热响应速度，能够克服采用单一的聚合物的驱动结构热响应慢、温度分布不均匀问题，显著改善内部热场分布均匀性和传输速度，有效提升热驱动的效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的一种微型热力阵列的剖视结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种微驱动器的剖视结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种薄膜电阻加热器及其导电膜引线的立体分解结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种薄膜电阻加热器及其导电膜引线的等效电路图；
图5示出了本发明实施例提供的一种阵列状布置的多种情况示例；
图6示出了本发明实施例提供的一种制备方法的过程状态示意图；
图7示出了本发明实施例提供的一种基于异质驱动单元的微型热力阵列制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种基于异质驱动单元的微型热力阵列，如图1和图2所示，本发明实施例基于异质驱动单元的微型热力阵列包括衬底1，衬底1上设有呈阵列状布置的多个微驱动器2，微驱动器2包括设于衬底1表面上的薄膜电阻加热器21以及导热硅柱22，薄膜电阻加热器21的表面设有聚合物驱动结构层23，且导热硅柱22内嵌于聚合物驱动结构层23的内部。
本发明衬底上设有呈阵列状布置的多个微驱动器，可通过典型的微纳米加工工艺制备，能够方便地将呈阵列状布置的多个微驱动器能与典型微机电系统结构进行集成，能够实现对典型的微机电系统结构(如薄板等)加工误差或面外变形的精准调控/矫正。
本发明基于异质驱动单元的微型热力阵列的微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱，薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部，导热硅柱可以对驱动结构内部的热量传导和温度场分布起到优化作用，显著的改善聚合物内部的温度场分布的均匀性，充分发挥聚合物的热膨胀系数大的优点，最大效率的提升驱动效率，提升驱动结构末端响应位移。
在具体实施过程中，衬底1为玻璃衬底，玻璃衬底具有优良的机械和热学特性，可有效减小热传导耗散，提升驱动单元的执行效率。具体地，本发明实施例中的玻璃衬底选用Pyrex玻璃(厚度为500μm)作为衬底材料，其优良的热绝缘性能可有效减小热传导耗散。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例中薄膜电阻加热器21为Ti薄膜电阻加热器，衬底1上设有薄膜电阻加热器21的电连接端子，薄膜电阻加热器21和电连接端子之间的导电膜引线为由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构，Al薄膜作为导电层沉积在Ti薄膜上。Ti薄膜电阻加热器具有工艺简单及稳定性好等显著优点，本发明实施例中Ti薄膜沉积在衬底1上作为电阻层产生热，同时作为黏附层提高微驱动器的机械稳定性；Al薄膜作为导电层沉积在Ti薄膜上，可减小非加热区电阻并改善加热器工作效率。
如图4所示，Ti薄膜电阻加热器可以等效为一个电阻R，而Ti薄膜电阻加热器两端的导电膜引线则可以等效为电阻RAl、电阻RTi的并联电路，其中，电阻RAl为Al薄膜的电阻，电阻RTi为Ti薄膜的电阻，因此并联使得Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构电阻更小，从而有利于提升Ti薄膜电阻加热器等效的电阻R分得的电压，从而能够提升Ti薄膜电阻加热器的发热效率、降低导电膜引线发热，可实现对典型的微机电系统结构(如薄板等)加工误差或面外变形的精准调控/矫正。
为了提高Ti薄膜电阻加热器的发热效率，本发明实施例中Ti薄膜电阻加热器为由Ti薄膜构成弯曲的蛇形走线(Zig-Zag)结构，此外也可以根据需要采用其他弯曲结构，同样也可以提升Ti薄膜电阻加热器的发热效率。
本发明实施例中，导热硅柱22为采用干法刻蚀制备后与衬底1阳极键合连接。导热硅柱22置于薄膜电阻加热器21的上方，由干法刻蚀制备后与玻璃衬底进行阳极键合实现圆片级固连，一方面方便制备，另一方面也使得连接结构牢固可靠。
本发明实施例中，聚合物驱动结构层23为环氧树脂，环氧树脂具有大热膨胀系数的优点，有利于对微机电系统面外的翘曲等形变进行精准调控。环氧树脂可由旋涂工艺在衬底1(包含薄膜电阻加热器21和导热硅柱22)的上方，通过对准光刻使聚合物驱动单元位于薄膜电阻加热器21的正上方，通过多次旋涂工艺可实现预期厚度(典型设计值为200μm)。
需要说明的是，多个微驱动器2的阵列状布置的结构可以根据MEMS的面外的翘曲等形变调控需求进行布置，例如将阵列状布置为环形阵列(如图5中的(a)图所示)、线性阵列(如图5中的(b)图所示)、放射性阵列(如图5中的(c)图所示)中的任一种。
本发明基于异质驱动单元的微型热力阵列的微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱，薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部，导热硅柱可以对驱动结构内部的热量传导和温度场分布起到优化作用，显著的改善聚合物内部的温度场分布的均匀性，充分发挥聚合物的热膨胀系数大的优点，最大效率的提高驱动效率，提升驱动结构末端位移响应。
本发明基于异质驱动单元的微型热力阵列与常规的MEMS工艺兼容性好，和原有的驱动结构集成简便，能够进行圆片级键合。
本发明实施例还提供一种前述基于异质驱动单元的微型热力阵列的制备方法，如图7所示，实施步骤包括：
S1、将衬底1(如图6中a图所示)进行清洗和干燥处理；
S2、在衬底1上制备薄膜电阻加热器21，如图6中b图～c图所示；
S3、采用掩膜制备带有导热硅柱22的晶圆片，如图6中d图所示；
S4、将带有薄膜电阻加热器21的衬底1、晶圆片进行键合，如图6中e图所示；
S5、按照制备带有导热硅柱22的晶圆片的原有的掩膜进行晶圆片的背面刻蚀，直到晶圆片被完全刻蚀穿，如图6中f图所示；
S6、在衬底1的薄膜电阻加热器21和导热硅柱22上方涂覆聚合物形成聚合物驱动结构层23，如图6中g图所示；在通过掩模版对聚合物驱动结构层进行光刻后，在显影液中进行显影处理，如图6中h图所示；
S7、进行激光划片切割得到可用于和待调控器件进行集成的成品。
本发明实施例中，步骤S2的详细步骤包括：
S21、首先通过磁控溅射工艺在衬底1上沉积一层Ti薄膜(典型厚度600nm)；然后再通过磁控溅射工艺在Ti薄膜上再沉积一层Al薄膜(典型厚度200nm)；溅射工艺保证两种简述薄膜之间形成致密、可靠的连接；
S22、在Al薄膜表面旋涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻图形化处理，先在铝腐蚀液中刻蚀除去Al薄膜的多余部分，再在钛腐蚀液中刻蚀除去Ti薄膜的多余部分，使得制备形成由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构；其中，第一掩模版用于刻蚀除去Ti薄膜电阻加热器及其导电膜引线以外的部分，且刻蚀除去分为两步，第一步刻蚀除去Al薄膜，第二步刻蚀除去Ti薄膜；通过两步刻蚀后即可形成薄膜电阻加热器21的弯曲的蛇形走线(Zig-Zag)结构，但此时薄膜电阻加热器21仍为与导电膜引线相同的双层结构，需进一步去除表面的Al薄膜。
S23、利用第二掩模版进行光刻图形化处理，在由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构中薄膜电阻加热器21对应位置处去除多余的Al薄膜形成作为薄膜电阻加热器21的Ti薄膜电阻加热器。其中，第二掩模版用于刻蚀除去Ti薄膜电阻加热器表面上的Al薄膜，使得该部位由与导电膜引线相同的双层结构变成单层的Ti薄膜电阻加热器。
本发明实施例中，步骤S3的详细步骤包括：
S31、准备单晶硅制成的晶圆片，晶圆片进行双面甩胶、光刻；
S32、对晶圆片进行背面光刻，并制备掩膜；
S33、采用掩膜对晶圆片进行单面干法刻蚀直至预定的深度值。
本发明实施例中，步骤6)中制备聚合物驱动结构层23时，通过旋涂技术可以在衬底1(包含加工完成的薄膜电阻加热器21)上方得到一层聚合物，该聚合物具体选择SU-8-2100型号光刻胶(环氧树脂)，因其具备较大的粘度可以保证达到预定的厚度。在通常情况下因具体工艺参数的不同单次甩胶可能无法得到预期的厚度，此时，通过多次旋涂的方法实现。多次旋涂以后，通过对准光刻(MASK-3)使聚合物执行单元位于微驱动器的正上方，在SU8显影液中进行显影处理，即可得到多个本发明实施例基于异质驱动单元的微型热力阵列，然后即可切割分离出多个本发明实施例基于异质驱动单元的微型热力阵列。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书包括伴随的权利要求、摘要和附图中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书包括伴随的权利要求、摘要和附图中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
Claims (10)
1.一种基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上设有呈阵列状布置的多个微驱动器，所述微驱动器包括设于衬底表面上的薄膜电阻加热器以及导热硅柱；
所述薄膜电阻加热器的表面设有聚合物驱动结构层，且所述导热硅柱内嵌于聚合物驱动结构层的内部。
2.根据权利要求1所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，
所述薄膜电阻加热器为Ti薄膜电阻加热器，所述衬底上设有薄膜电阻加热器的电连接端子，所述Ti薄膜电阻加热器和实时电连接端子之间的导电膜引线为由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构，所述Al薄膜作为导电层沉积在Ti薄膜上。
4.根据权利要求3所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，所述Ti薄膜电阻加热器为由Ti薄膜构成弯曲的蛇形走线结构。
5.根据权利要求1所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，所述导热硅柱为采用干法刻蚀制备后与衬底1阳极键合连接。
6.根据权利要求1所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，所述聚合物驱动结构层为环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的基于异质驱动单元的微型热力阵列，其特征在于，所述阵列状布置为环形阵列、线性阵列、放射性阵列中的任一种。
8.一种前述基于异质驱动单元的微型热力阵列的制备方法，其特征在于，包括：
S1、将衬底进行清洗和干燥处理；
S2、在衬底上制备薄膜电阻加热器；
S3、采用掩膜制备带有导热硅柱的晶圆片；
S4、将带有薄膜电阻加热器的衬底、晶圆片进行键合；
S5、按照制备带有导热硅柱的晶圆片的原有的掩膜进行晶圆片的背面刻蚀，直到晶圆片被完全刻蚀穿；
S6、在衬底的薄膜电阻加热器和导热硅柱上方涂覆聚合物形成聚合物驱动结构层，在通过掩模版对聚合物驱动结构层进行光刻后，在显影液中进行显影处理；
S 7、进行激光划片切割得到可用于和待调控器件进行集成的成品。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，S 2的详细步骤包括：
S21、通过磁控溅射工艺在衬底上沉积一层Ti薄膜，再通过磁控溅射工艺在Ti薄膜上再沉积一层Al薄膜；
S22、在Al薄膜表面旋涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻图形化处理，先在铝腐蚀液中刻蚀除去Al薄膜的多余部分，再在钛腐蚀液中刻蚀除去Ti薄膜的多余部分，使得制备形成由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构；
S23、利用第二掩模版进行光刻图形化处理，在所述由Al薄膜、Ti薄膜构成的双层结构中薄膜电阻加热器对应位置处去除多余的Al薄膜形成作为薄膜电阻加热器的Ti薄膜电阻加热器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，S 3的详细步骤包括：
S31、准备单晶硅制成的晶圆片，所述晶圆片进行双面甩胶、光刻；
S32、对晶圆片进行背面光刻，并制备掩膜；
S33、采用掩膜对晶圆片进行单面干法刻蚀直至预定的深度值。
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