CN113460953A - 一种自卷曲交指结构的静电微执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自卷曲交指结构的静电微执行器，属于自动控制和微纳技术领域。包括在硅衬底片上自卷曲形成多圈管状的自卷曲微管；自卷曲微管自外向内依次包括第一保护层、应力层、导电层及第二保护层；应力层用于使本体卷曲，导电层为良导体材料制成的交指结构。卷曲之后在两端馈线通不同电压，形成电势差。交指结构的尺寸以及每圈交指的数目都对变形效果产生影响。该静电微执行器最大变形情况下可实现维度转换，从平面结构到立体结构再到平面结构，相比于静电悬臂梁等微执行器，在形变位移上具有明显优势。自卷曲技术实现了小电极间距，极大程度的利用了静电力。
Description
技术领域
本发明属于自动控制和微纳技术领域，具体涉及静电微执行器。
背景技术
微执行器最基本的工作原理是将其它形式的能量（通常为电能）转换为机械能，实现这一转换一般有三种途径：热驱动、磁驱动和静电驱动。静电驱动是通过两个电极间静电力的吸引作用来产生和控制电极间的相对运动。其优点在于低能耗和短的响应时间，宜于完成较高频率的驱动。由于静电力反比于电极间距离的平方，衰减很快，因此一般只有在电极间距离很小时其效应才比较显著。
静电微执行器结构容易实现，应用的也比较多。由于其多功能性、简单性以及与IC制造技术的高兼容性，目前已成为应用最广泛的驱动器。典型微器件应用的热点有数字光处理器中的数字微镜，光通讯中的静电驱动MEMS微开关，微惯性传感器-微陀螺，利用材料机械特性制作的微谐振器，静电微马达，静电力显微镜，此外微动平台、微泵、微阀、微钳等也采用静电力作为驱动源。MEMS静电执行器，典型的有静电驱动悬臂梁，梳齿型微驱动器等，利用两个平行板之间的库仑力，使得其中一个极板相对于另一个极板做平移或回旋运动。驱动力的大小和方向由偏置电压的大小和方向来确定，但普遍存在几个问题：
1.变形范围小。理论表明，典型的静电驱动器的可动范围是电极间距的1/3，大约为几微米，且只能实现上下的吸合与弹开变化。2.电极之间间距大，大约十几微米到几十微米，由于半导体制造工艺的限制，经典的悬臂梁驱动器两电极之间的距离受到限制，而在前面提到静电力反比于电极间距离的平方，衰减很快，因此一般只有在电极间距离很小时其效应才比较显著。所以悬臂梁结构对静电力的利用率比较低。3.存在吸合效应的缺点，静电力驱动结构常常是由固定极板、可动极板、弹性梁和敏感质量块组成。可动极板往往和弹性梁以及敏感质量块连接在一起, 当极板间发生静电作用时, 弹性梁会产生弹性力来平衡静电引力，当施加的电压过大时会出现，弹性梁无法平衡静电引力，基板就会出现吸合现象影响正常工作。
基于平移运动，许多研究者在文献中对静电微传感器和执行器进行了研究，但是关于卷曲变形的静电微执行器还未有研究发明。
发明内容
为了解决现有的静电微执行器存在的变形范围小、电极之间间距大，存在吸合效应的缺点，本发明提供一种自卷曲交指结构的静电微执行器，同时提供自卷曲交指结构的静电微执行器的制备工艺方法。
一种自卷曲交指结构的静电微执行器包括硅衬底片和自卷曲微管，自卷曲微管由导电层和应力层构成；所述导电层为平面交指结构的金属层，平面交指结构由若干正极交指和若干负极交指交错排列组成，正极交指的长宽和负极交指的长宽相同；若干正极交指的一端分别连接着正极馈线，若干负极交指的一端分别连接着负极馈线，正极馈线的一端和负极馈线的一端构成两个馈线端；
所述自卷曲微管为二圈以上的微管，相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应；
所述应力层为两层，分别为上应力层和下应力层，上应力层提供压力，下应力层提供拉力；所述导电层位于上应力层上；
工作时，正极馈线31接正电压，负极馈线41接地；当静电微执行器的电极之间存在电势差时，二圈以上的微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片上逐渐摊开，实现开关功能；同时在形态上，实现三维形态至二维形态或二维形态至三维形态的转换。
进一步地具体技术方案如下：
所述自卷曲微管的内径为1um-500um；通过调整自卷曲微管的内径，实现相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应。
所述应力层材料为双频氮化硅薄膜，上应力层的氮化硅薄膜提供的压应力为900-1100MPa；下应力层的氮化硅薄膜提供的拉应力为280-320MPa。
当静电微执行器电极之间的电势差为-200V～200V时，微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片1上逐渐摊开。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明采用自卷曲薄膜工艺，解决了半导体制造中的间距不能太小的问题。自卷曲薄膜借助应力层的压缩力和拉伸力卷曲成管状结构，相邻管状结构之间的间隙大约在0-1um，相邻交指之间的距离取决于光刻精度，目前最先进可达到nm级别，故相邻管状结构之间的电极间距最大为1um，同一管状结构相邻电极最小可达到5-10nm，相比于传统的静电执行器电极间距在微米量级，本静电微执行器中电极间距被极大的缩小，对静电力的利用率大大提高。
2.本发明采用的交指结构，实现周期重复的众多电极形式，与管状结构相结合，可实现360°的最大变形，整个结构可以从多圈到一圈到平面，实现维度的转换，驱动位移大小取决于平面结构的总长度，目前可达到毫米量级。另外本发明静电微执行器在从三维向二维转换的过程中电极之间是排斥力，克服了现有技术存在吸合效应的缺点。
附图说明
图1为静电微执行器管状结构图。
图2为静电微执行器中的交指结构平面图。
图3a为施加电压前的静电微执行器三圈结构示意图。
图3b为施加电压后静电微执行器从三圈结构变形为两圈结构示意图。
图3c为静电微执行器继续变形至一圈结构示意图。
图3d为最终静电微执行器摊开至平面结构，实现维度转换的大变形示意图。
图4a为制备流程中蒸镀完牺牲层锗和双层应力层之后的结构示意图。
图4b为光刻，刻蚀出操作台面之后的结构示意图。
图4c为在操作台面上镀完导电层之后的结构示意图。
图4d为在整个结构表面沉积上氧化铝之后的结构示意图。
图4e为刻蚀牺牲层厚的卷曲示意图。
上图中序号：硅衬底片1、应力层2、上应力层21、下应力层22、正极交指3、负极交指4、正极馈线31、负极馈线41、相邻微管径向之间的间距5、牺牲层6、保护层7。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明的技术方案作进一步地更清楚、完整地描述，以下实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
参见图1，一种自卷曲交指结构的静电微执行器包括硅衬底片1和自卷曲微管，自卷曲微管由导电层和应力层2构成。参见图2，导电层为平面交指结构的铜金属层，导电层厚度为180nm。平面交指结构由若干正极交指3和若干负极交指4交错排列组成，若干正极交指3的一端分别连接着正极馈线31，若干负极交指4的一端分别连接着负极馈线41，正极馈线31的一端和负极馈线41的一端构成两个馈线端。
如图2所示，交指尺寸：长度c为5um，宽度b为0.3um，相邻交指之间的间隔a为0.3um，馈线宽度d为0.5um，长度e为24um，结构总宽6.5um。
参见图3，自卷曲微管为卷曲3圈的微管，内卷的内径为1.8um；通过调整自卷曲微管的内径，实现相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应，见图1。
参见图4a，应力层2为两层，分别为上应力层21和下应力层22，应力层材料为双频氮化硅薄膜，总厚度为60nm。导电层位于上应力层21上。上应力层21提供压力，下应力层22提供拉力；上应力层的氮化硅薄膜提供的压应力为1000MPa，下应力层的氮化硅薄膜提供的拉应力为300MPa。
工作时，正极馈线31接高电势为60V，负极馈线41接低电势为0；见图3b，自卷曲微管的2圈微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片上逐渐变形至内圈与外圈接触，此时，内圈与外圈中心点之间的位移最大值为0.35um；继续增大电势差V，自卷曲微管继续摊开，见图3c-图3d，实现三维管状形态至二维平面形态的转换，摊开长度为24um，实现开关功能。
本实施例1静电微执行器的制备操作是：在硅衬底片1上依次沉积牺牲层，应变层，导电层。
具体制备操作步骤如下：
（1）.清洗硅衬底片1，电子束蒸发锗，作为牺牲层，沉积厚度为100nm；
（2）.参见图4a，应变层采用双频氮化硅薄膜，先沉积一层低频氮化硅薄膜，即下应力层22作为拉伸层，再沉积一层高频氮化硅薄膜，即上应力层21作为压缩层，沉积厚度根据薄膜应力来调整，上应力层21和下应力层22厚度均为30nm；总厚度为60nm；
（3）.参见图4b，光刻，ICP在上应力层21上形成操作台面，再光刻交指结构；
（4）.参见图4c，显影后，阻蒸铜导电层，考虑到电导率和薄膜应力两个因素，沉积厚度为180nm；
（5）. ALD沉积氧化铝作为保护层7，见图4d，较少氮化硅针孔效应的影响；
（6）.光刻，ICP形成刻蚀窗口；
（7）.拉伸层压缩层分别提供两个方向的力，形成力矩，用过氧化氢刻蚀掉锗之后，应变层由于存在该力矩，向上卷曲，变成三维管状结构，见图4e。至此，得到静电微执行器的本体。通过调节膜的厚度调节微管直径和电极排布；
（8）.在管状本体两端馈线上通电压驱动静电微执行器。由图3a-图3d可见，自卷曲静电微执行器的完整变形情况，整个结构从N圈向N-1，N-2，，，0圈依次变化。
实施例2
本实施例2的基本结构同实施例1，不同在于：交指尺寸：长c=5um，宽b=0.75um，间隔a=0.75um，馈线宽d=0.5um，长e=24um，结构总宽6.5um，由于卷曲之后的静电微执行器直径与交指层和应力层膜厚有关，与交指的尺寸无关，所以从图2的平面结构卷曲到图1的立体结构与实例1大体相同，只是内部交指大小不同。
通过图2中的馈线31接高电势V，41接低电势0，两圈之间相对的交指电势差为V，当V=60V时，内圈与外圈中心点之间的位移最大值为0.25um。与实施例1对比可得，每圈交指数目越多，排斥力越大，变形越明显。另外，如果缩小两圈之间的间距，电极间距减小，在同样的电势差下，静电力显然会增大，形变位移更大。
实施例3
本实施例3的基本结构同实施例1，不同在于：交指尺寸，交指长c=100um,宽b=20um，间隔a=5um，馈线宽d=20um，总长e=500um，高频氮化硅厚度为30nm,低频氮化硅厚度为30nm,金属层厚度为100nm，卷曲成15圈的微管结构，直径15um。通过图2中的馈线31接高电势V，41接低电势0，两圈之间相对的交指电势差为V，当V=160V时，15圈的三维立体微管结构全部摊开，实现500um跨度的开关。
Claims (4)
1.一种自卷曲交指结构的静电微执行器，其特征在于：包括硅衬底片和自卷曲微管，自卷曲微管由导电层和应力层构成；所述导电层为平面交指结构的金属层，平面交指结构由若干正极交指和若干负极交指交错排列组成，正极交指的长宽和负极交指的长宽相同；若干正极交指的一端分别连接着正极馈线，若干负极交指的一端分别连接着负极馈线，正极馈线的一端和负极馈线的一端构成两个馈线端；
所述自卷曲微管为二圈以上的微管，相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应；
所述应力层为两层，分别为上应力层和下应力层，上应力层提供压力，下应力层提供拉力；所述导电层位于上应力层上；
工作时，正极馈线接正电压，负极馈线接地；当静电微执行器的电极之间存在电势差时，二圈以上的微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片上逐渐摊开，实现开关功能；同时在形态上，实现三维形态至二维形态或二维形态至三维形态的转换。
2.根据权利要求1所述的一种自卷曲交指结构的静电微执行器，其特征在于：所述自卷曲微管的内径为1um-500um；通过调整自卷曲微管的内径，实现相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应。
3.根据权利要求1所述的一种自卷曲交指结构的静电微执行器，其特征在于：所述应力层材料为双频氮化硅薄膜，上应力层的氮化硅薄膜提供的压应力为900-1100MPa；下应力层的氮化硅薄膜提供的拉应力为280-320MPa。
4.根据权利要求1所述的一种自卷曲交指结构的静电微执行器，其特征在于：当静电微执行器电极之间的电势差为-200V～200V时，微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片（1）上逐渐摊开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211001 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |