CN1120990A - 用于微型机械装置的、应用分子识别的单分子涂层 - Google Patents

Abstract

一种用于在微型机械装置(10)的接触元件(17)的表面形成一单分子层(19)的方法。该方法包括在接触元件之一(17)的表面上提供一种配价物质(33)，然后沉积一种产物母体物质(51)，用以形成单分子层(19)。配价物质(33)和产物母体物质(51)系根据分子识别化学来选择。

Description

用于微型机械装置的、应用分子识别的单分子涂层

本发明涉及微型机械装置，更具体地，涉及具有接触元件的这类装置并涉及用以防止这些接触元件粘着的一种方法。

机电学领域中一项新近的发展是各种机械装置的微型化。典型的此类装置有超小型的齿轮、杠杆和阀门。这些“微型机械”装置是用集成电路技术来制造，往往还制成同时带有控制电路。常见的应用实例包括加速度计、压力传感器、以及操作机构等。作为另一实例，可由微型机械的象素来构成空间光调制器。

微型机械式空间光调制器的一种类型是数字式微型反射镜装置(数镜装置)，有时称之为可变形反射镜装置。数镜装置具有由数百或数千个微小的可倾斜反射镜组成的阵列。入射到数镜装置上的光线被选择性地从各反射镜反射或不反射到一图象平面上以形成图象。为容许各反射镜倾斜，每一反射镜附贴在一个或多个由支柱支承的铰链上，各反射镜由空气间隙隔开于处在其下面的控制电路的上方。控制电路提供静电力以使各反射镜能选择性地倾斜。在许多数镜装置中，反射镜的一条边缘与一落地电极相接触，该电极用作一止动器。

微型机械装置的工作可靠性一直是难以实现的。一个常见的可靠性难题就是可运动元件相互接触时可能发生的粘着。如果这样的元件粘着在一起，微型装置即不能正常工作。就数镜装置而言，偏转了的反射镜可能变成粘着在落地电极上。

许多以前的防止微型机械装置的各接触元件相互粘着的努力一直把目标放在接触元件的表面涂层。题为“用于微型机械装置的聚合物涂层”的美国专利第08/216,194号描述了聚合材料层的应用。题为“用于微型机械装置的高氟聚醚(PFPE)涂层”的美国专利第__号(代理人附签No.TI—18478)描述了PFPE层的应用。还已发现，一种合适物质的单分子层(单层)可以使接触元件之间的磨擦力降低，从而降低粘着的可能性。题为“用于数镜装置的低复位电压工艺”的美国专利第07/823,580号描述一种通过蒸气沉积形成单分子层的方法。

本发明的一个方面是一种改进型式的微型机械装置，它具有制作在一基底上的相对运动的元件，这些元件的某些部分可能相互接触，从而在其接触表面处粘着在一起。改进包括在至少接触表面之一上有一单分子层(单层)。这一单分子层是通过提供一个由一种“配价物质”制成的接触表面来形成，就是说，用一种已知能与接着沉积的分子态产物母体物质起反应的物质以便形成该单分子层。配价物质和产物母体物质是根据分子识别化学进行选择，识别化学使得单分子层只能在由配价物质制成的表面上生成。作为这种分子识别之一例，接触表面可以是镀金的而产物母体是一种含硫物质例如烷烃硫醇。即使该产物母体沉积在整个基底上，单分子层也仅在镀金的表面上形成。

本发明的一个优点在于它提供一种受热稳定和化学稳定的涂层。这一涂层是选择性的且只在涂有配价物质的表面上形成。

可以选择配价物质和产物母体物质的特定组合，以便得到改善的化学稳定性，这种稳定性要比不仔细选择这两种物质时的好。例如，在一数镜装置中，如果接触表面系由一种活性金属例如铝的氧化表面组成，某些高氟化润滑剂将会化学恶化。还有，可以选择配价物质和产物母体物质的特定组合，以便得到质量改善的单分子涂层，其改善表现在，与不仔细选择这两种物质相比，具有较高的填实密度和较低的缺陷程度。这就将能提供较佳的性能。

图1示出了按照本发明制作的一种类型的微型机械装置的未偏转反射镜元件，即一数字式微型反射镜装置(数镜装置)。

图2示出了图1中的反射镜元件处于一偏转位置。

图3至图6示出了本发明之方法的各工序。

为了举例，下列描述系针对一具体类型的微型机械装置，一种“数字式微型反射镜装置”(数镜装置)，有时也称之为“可变形的反射镜装置”。如前所述，数镜装置的一种应用是用于形成图象，在这种应用中，数镜装置有一个由许多可偏转反射镜组成的阵列，用以选择性地把光线反射到一图象平面上，由数镜装置形成的图象可用在显示系统中或用于非击打式印刷。数镜装置也可以应用于与图象成形无关的其他方面，例如光学操纵、光学转换、以及加速计等。在某些这类应用，例如加速度计中，“反射镜”不必是反射性的，而且施加的力是由于加速度而不是由于静电。并且，在某些应用中，数镜装置不需要以数字方式工作。

总的来说，“数镜装置”这一术语在这里用于包括具有至少一个装在铰链上而可以偏转的物体的任何类型的微型机械装置，该物体由一空气(或其它气体或真空)间隙隔开于一基底，并响应一施加的力而与基底接触。本发明系在数镜装置的制作过程中用于为反射镜元件的接触面和这些元件偏转时将落触的表面涂上涂层。

本发明对具有可运动元件的其它类型微型机械装置也有用。与数镜装置的可倾斜反射镜相类似，其它微型机械装置可以具有微小的转子、杠杆、或在微型机械装置工作过程中进入与其它表面接触的其它运动零件，由于有接触，就有粘着的可能性。

图1和图2示出了一数镜装置的一单个镜元件10。在图1中，反射镜11未偏转，而图2中，反射镜11正被偏转向一落地电极17。前已指出，各种不同的数镜装置可以单个地或组成阵列地应用这样的反射镜元件。

图1和图2的反射镜元件10称为“扭转梁型”元件。可以制作其它类型的反射镜元件10，包括悬臂梁型的弯曲梁型的。题为“空间光调制器和方法”的美国专利第4,662,746号中，题为“空间光调制器”的美国专利第4,956,610号中，题为“空间光调制器和方法”的美国专利第5,061,049号中，题为“多层可变形反射镜装置”的美国专利第5,083,857中，以及美国专利编号08/097,824中，描述了各种类型的数镜装置。这些专利都已转让给得克萨斯仪器股份有限公司(Texas Instru ments Incorporated)，这里提及，以供参考。

在用于图象显示应用的工作中，一光源照亮数镜装置的表面。可用一透镜系统来将光线定形成与反射镜元件10阵列差不多大小并使此光线指向反射镜元件阵列。每一反射镜元件10有一由连接于支柱13的扭转铰链12支承的可倾斜反射镜11。这些支柱13被成形在基底15上并从基底15向上伸出。反射镜11是定位在一控制电路14的上方，该电路包括制作在基底15上的地址电路和存储电路。

将根据控制电路14的存储单元中的数据的电压施加于两个位于反射镜11的相对角落之下的地址电极16。通过选择性地施加电压于地址电极16，使反射镜11和其地址电极16之间产生静电力。静电力使每一反射镜11倾斜或+10度(ON)左右或-10度(OFF)左右，从而调制入射到数镜装置表面上的光线。从“ON”反射镜11反射来的光线经由光学显示系统射向一图象平面。从“OFF”反射镜11来的光线被反射离开图象平面。所产生的图案形成一图象，每一帧图象过程中一反射镜11处于“ON”状态的时间比例决定着灰度等级。可以借助一色盘或用一三数镜装置加上彩色。

实际上，反射镜11及其地址电极16构成了电容器。当适当的电压施加于反射镜11及其地址电极16时，所产生的静电力(吸引力或推斥力)使反射镜11向起吸引作用的地址电极16倾斜或离开起推斥作用的地址电极16。反射镜11一直倾斜到它的边缘接触到在下面的落地电极17为止。

一旦地址电极16和反射镜11之间的静电力消失，存储在铰链12中的能量就提供一回复力使反射镜11返回到一非偏转位置。可以对反射镜11或地址电极16施加适当的电压，以帮助反射镜11返回至其非偏侧位置。

如图1和图2中所示，反射镜元件10在落地电极17的暴露表面上有一薄层19。这一薄层19在这里称为“单分子层”(单层)，其定义是一种厚度约为构成薄层19的分子的长度的薄膜。

图3至图6示出了本发明用以形成单分子层19的方法的几个方面。为了举例，本发明的方法是针对制作上述类型的数镜装置30的反射镜元件10来描述。但是，本方法可应用于具有至少一个可运动元件的任何其它微型机械装置的制作过程中。

不管该方法应用于哪一类型的微型机械装置的制作，它假定至少有一个接触表面已经制作完成。相应地，在图3中，数镜装置30已经制作到落地电极17的层次。在一典型的数镜装置30中，为达到这一制作层次，一个氧化物层32业已生成在基底31上。一个3000埃厚的Ti∶Si∶Al(0.2％钛和1％硅)层已沉积在氧化物层32上，并已随后经摹制和刻蚀而形成了电极17。

一“配价物质”的配价层33业已沉积在电极17上。以下将说明，之所以称作“配价物质”是因为它是一种特选的物质，能够与接着沉积的产物母体物质起反应而形成一单分子层。配价层33的沉积可采用常规方法，例如喷镀法。

在这一描述的实例中，配价层33系由金、银、铜、或铂制成。如果该层33是金以及如果电路是位于电极17下面，则必注意将沉积局限在电极17的层次。这是因为金会使位于下面的硅基电路中产生深层次的陷波电路，从而降低少数载流子的寿命。在这方面，一种钛-钨扩散阻挡层可以有效地防止金沉积层的有害作用。

在图4中，配价层33的残余已从各电极17之间除去。这可以用一道刻蚀或卸下工艺过程来完成。

数镜装置然后可进行清理以除去可能阻碍产物母体沉积的沾染物。然而，采用例如金或铂之类的贵金属作为配价层33的优点是贵金属对沾染物是惰性的因而不易形成氧化物。这样，清理就不一定必要了。如果要进行，清理可以采用常规的清理技术，使用干式工艺或以溶液进行清洗的工艺。

作为图3和图4之工序的一种替代方案，可以在摹制和刻蚀电极17之前，将配价层33沉积在用来形成电极17的金属层上。然后，配价层33与电极17一起摹制和刻蚀。

作为图3和图4之工序的另一替代方案，用作落地电极17的全部材料可以是配价物质。例如，金是一种制作落地电极17的合适材料而且也是一种适于某些产物母体的合适的配价物质。当然，现有的数镜装置是用铝制作其落地电极17，铝是一种适于某些产物母体的合适的配价物质。

图3和图4的工序一般可以称为形成至少一个由一种配价物质制成的接触表面。是否需要一层附加的配价物质或者是否接触表面完全由配价物质制成，这对本发明并不重要。

在图5中，一种产物母体物质被沉积在数镜装置表面上。典型地，这一沉积将采用一种液态沉积法。题为“微型机械装置的自组合单分子涂层”的美国专利第__号(代理人附签No.TI—18476)，描述了用液态沉积形成自组合单分子层的一种方法。该专利已转让给得克萨斯仪器股份有限公司，这里提及以供参考。也可以通过将产物母体喷雾成一种溶剂的小滴而对一自组合的单分子层达到分子识别。

本发明的一个特点是根据产物母体和待涂表面之间的配价化学选择一种分子态产物母体51。这种配价化学在这里称之为“分子识别”，因为分子态产物母体上的化学活性官能团仅仅与配价物质起作用(识别)。由于按照本发明进行的正确选择，待涂表面上的配价物质仅与产物母体51起反应。

下面将更详细地说明，待涂表面很可能包括一个氧化物层，其或者由于曝露于大气或者由于工艺过程。产物母体种类的表面化学常常涉及这类氧化物的存在，尤其在铝表面的情况下。理想地不存在氧化物的贵金属表面需要其它种类的产物母体。

用于溶液中自组合的合适分子态产物母体一般具有与其化学成分有关的三种性质。首先，一种表面活性的官能团用来起反应并从而将分子的剩余部分固定于在待涂表面上的配价物质。第二，一烷基链或衍生烷基链从配价物质延伸并通过排斥性的范德瓦耳相互作用与其它相邻的产物母体链起反应，这就容许分子态产物母体组合成一密实的薄膜。第三，一种有尽官能团有效地用作沉积的单分子层薄膜的表面。A·Ulman著的《超薄有机膜导论》一文中的第237—338页(学术出版社公司1991)有对自组合单分子层工艺过程的概括描述。

用于配价物质为金的表面的合适产物母体51是含硫的，例如烷烃硫醇和二烃基二硫酚，两者在这里称之为硫醇。其它用于金表面的合适的产物母体是烷基磷或胂类。用于配价物质为氧化银的表面，合适的产物母体包括磷酸、n-链烷(也称羧)酸、和烷基硫醇等。用于配价物质为铂的表面，合适的产物母体是酒精、胺、和n-链烷酸。未氧化的银和铜配价表面要求含硫的产物母体。

如上所述，在待形成一单分子层的表面上可能已经由一种配价物质制成而不需要再加一附加层33。以数镜装置30而论，替代在电极17上的沉积层33，可以用分子识别从待用于制作电极17的物质中来选择一种配价物质，例如，电极17可以用氧化铝制成。用于氧化铝表面，合适的产物母体是含磷的，例如磷酸。其它例子是烷基草酸、异羟肟酸、硫酸盐、胺，以及酒精，另一特定例子是n-链烷酸。

为本描述的目的，上述的产物母体的名称意味着包括任一过卤化变体。例如，n-链烷酸和磷酸可以被高氟化，以得到改善的抗粘着和润滑效果。

本发明的一个特点是，当配价物质提供在接触元件上作为一附加层时，能够提供一个和与其接触的表面相异的表面。可以预料，这一相异材料的采用，在单分子层19磨损掉了或变得不连续时，可以减少接触表面的粘着。

图6示出了图5的沉积结果和产物母体51与配价物质的反应。一单分子层19已经形成在已先期涂复了配价物质的表面上，即电极17的表面上。与用液态沉积形成的单分子层的典型情况一样，产物母体分子51的化学活性官能团化合于电极17的表面。产物母体分子已经把它们自己与它们的化合于在电极17表面上的配价物质的官能团排列成行。

在某些微型机械装置中，接触表面可能是不同材料的。例如，以数镜装置而论，用一种配价物质例如黄金制作或涂复电极17可能是现实的。然而，由于各种原因，反射镜的底面最好是较硬的金属，例如钛-钨或铝合金。在这种情况下，对两个不同的接触表面17和11中的每一个，图3至图6的工艺过程可以用不同的产物母体物质51重复进行。每一产物母体物质识别并仅粘附于它的配价物质。这样，第一种产物母体51将沉积在电极51上形成一单分子层。然后，第二种产物母体51可沉积在反射镜11的底面上形成一单分子层。

虽然已经参照特定的实施例描述了本发明，但这些描述不能被认为是有限制意义。各种对已揭示的实施例的改型以及其他可能的实施例对本技术领域内的熟练人员将是很明显的。因此，这里认为，附在后面的权利要求书将复盖本发明的真正范围内的全部变型。

Claims (20)

1.一种改进类型的微型机械装置，它具有制作在一基底上的相对运动元件，这些元件的某些部分可能相互接触，从而在其接触表面处可能粘着在一起，其特征在于，改进包括：

在至少一个接触表面上的一单分子层，所述单分子层已经由该接触表面上的一种配价物质和沉积在所述基底上的一种产物母体之间的化学反应形成，其中所述配价物质和所述产物母体物质系根据分子识别来选择的，以使所述产物母体在所述基底上的沉积仅在所述的至少一个接触表面上形成所述单分子层。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是金，而所述的产物母体是含硫的物质。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是金，而所述的产物母体是一种烷烃硫醇。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是金，而所述的产物母体是二烷基硫化物。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是金，而所述的产物母体是二烷基二硫化物。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是氧化铝，而所述的产物母体是含磷的物质。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是氧化银，而所述的产物母体是含磷的物质。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是铂，而所述的产物母体是n-链烷酸。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是铜，而所述的产物母体是含铜的物质。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是氧化铝，而所述的产物母体是羧酸。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的配价物质主要是铝，而所述的产物母体是羧酸。

12.一种防止具有接触元件的微型机械装置的接触元件互相粘着的方法，其包括以下工序：

至少部分地制作所述微型机械装置，以使至少一个所述接触元件基本上制成，其表面系由一种根据分子识别化学选择的配价物质制成，以使所述配价物质将与某种产物母体反应而在所述表面上形成一单分子层；以及

使所述表面受到一种含有产物母体物质的溶液的作用，使所述产物母体的分子化合于所述表面，作为一自组合的单分子层。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是一种贵金属，而所述的产物母体物质是含硫的物质。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是金，而所述的产物母体物质是一种烷烃硫醇。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是一种贵金属，而所述的产物母体物质是含磷的物质。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是一种贵金属，而所述的产物母体是膦。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是铜，而所述的产物母体物质是含硫的物质。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的配价物质是银，而所述的产物母体物质是含硫的物质。

19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的配价物质是氧化铝，而所述的产物母体物质是n-链烷酸。

20.一种数字式微型反射镜装置，包括：

一在其上制作有以下元件的基底：至少一个落地电极、一支柱、一从所述支柱伸出的铰链、一连接于所述铰链的物体，其特征在于，所述铰链是可变形的，以便容许所述物体在受到一施加的力时去接触所述落地电极；以及

其中所述反射镜的接触表面或所述落地电极的接触表面，或这两种所述表面，是由根据识别化学选择的配价物质制成的，以便在一种产物母体物质沉积在所述的配价物质上时将由一种由此产生的化学反应在所述的表面上形成一单分子层。

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