CN1314576C - 一种微型平板静电驱动器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种微型平板静电驱动器及其制作方法，为了克服现有技术中所需驱动电压高的缺陷，本发明提出了一种具有非线性弹性系数的支撑梁结构，将锚梁(5)的一端固定于锚点(12)上，锚点(12)固定在绝缘层上。锚梁(5)和内弹性梁(7)通过横梁(9)平行连接，触发器(11)固定于横梁(9)的下方，并与基底(13)有一定距离，该非线性微梁结构明显增大了微型平板静电驱动器的驱动行程。本发明的工艺为：1.在基底(13)上依次沉积绝缘层和多晶硅层，并在多晶硅层上刻蚀出微型平板静电驱动器的下极板(17)。2.淀积牺牲层(20)，并刻蚀出锚点(12)、触发器(11)和防粘附(21)的位置。3.淀积多晶硅层，刻蚀并释放得到上电极(3)及支撑梁。

Description

一种微型平板静电驱动器及其制作方法

(一)技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种微型平板静电驱动器。

(二)背景技术

微型平板静电驱动器是微机电系统领域中重要驱动器之一。响应快、功耗低的优点使其在MEMS领域，特别是自适应光学领域，如微变形镜中得到广泛的应用和发展。然而，拉入现象的存在使微型平板静电驱动器的有效驱动行程只能达到平板初始间距的1/3左右，微机电器件的宝贵空间不能得到充分利用，从而限制了微型平板静电驱动器的应用。

为了增大微型平板静电驱动器的驱动行程，美国人爱德华等提出了采用串连电容的方法(Electrostatic Micromechanical Actuator withExtended Range of Travel)，使其驱动行程增大到初始间距的60％左右，其性能有了一定的提高，但是该方法需要在极板间施加五倍以上的驱动电压，这在MEMS领域是不经济的。

(三)发明内容

为了克服现有技术中所需驱动电压高的缺陷，本发明提出一种采用非线性微梁支撑的微型平板静电驱动器，使该驱动器在驱动电压基本不变的情况下，驱动行程却有效提高。

本发明包括上极板、下极板及支撑梁。上极板由位于极板四角的四个梁支撑，位于下极板的上方，基底上是绝缘层，下极板位于绝缘层之上。本发明针对支撑梁提出了一种具有非线性弹性系数的梁结构。该非线性梁包括锚梁、内弹性梁、横梁、触发器和锚点。其中，锚梁的一端固定于锚点上，锚点固定在绝缘层上。锚梁和内弹性梁平行，并通过横梁连接于同一平面内，触发器固定于横梁的下方，并与基底有一定距离。

不工作时，锚点通过锚梁、内弹性梁和横梁支撑着上极板；工作时，在静电力的作用下，静电驱动器的上极板、锚梁、内弹性梁、横梁同时向下移动，锚梁和内弹性梁都发生弯曲变形。当静电力改变到一定值，上极板、锚梁、内弹性梁、横梁的向下位移加大，触发器与氮化硅层接触，这时锚梁不再发生弯曲变形，而内弹性梁继续发生弯曲变形，非线性微梁的弹性系数随即增大，上极板和内弹性梁继续平缓向下移动，这样该非线性微梁结构明显增大了微型平板静电驱动器的驱动行程。

本发明提出了微型平板静电驱动器的MUMPs工艺流程，该加工工艺过程见图4，其工艺步骤为：

1)在基底上依次沉积绝缘层和多晶硅层，并在多晶硅层上刻蚀出微型平板静电驱动器的下极板。

2)淀积牺牲层，并刻蚀出锚点、触发器的位置。

3)淀积多晶硅层，刻蚀并释放得到上电极及支撑梁。

本发明能够在微型平板静电驱动器驱动电压基本不变的情况下，使其有效驱动行程增大到极板初始间距的55％左右，有效地提高了MEMS器件宝贵空间的利用率，并且本发明结构简单，设计方法新颖，效果显著，能够有效的促进微型平板静电驱动器在MEMS和自适应光学领域的应用和发展。

(四)附图说明

图1是本发明的示意图

图2是本发明所述非线性梁结构的放大示意图

图3是图2中所示的A-A向剖视图

图4是本发明的MUMPs工艺过程

(五)具体实施方法

如图1所示，本发明包括上极板3、下极板17及支撑梁。上极板3由位于极板四角的四个梁支撑，位于下极板17的上方，基底13上是绝缘层，下极板17位于绝缘层之上。为了达到增大驱动行程的目的，本发明针对支撑梁提出了一种新型的非线性梁结构。如图2，该非线性梁包括锚梁5、内弹性梁7、横梁9、触发器11和触点12。其中，锚梁5的一端通过锚点12固定在绝缘层上。锚梁5的另一端通过横梁9和内弹性梁7平行相连，触发器11固定于横梁9的下方，并与基底13有一定距离。锚梁5的长度L₂和内弹性梁7的长度L₁的关系满足 $L_2=L_1\sqrt[3]{\frac{1}{n-1}},$ 触发器11的厚度满足 $d=\frac{2n+1}{3n}{g}_0,$ 其中n＝1，2，3……，g₀为平行板静电驱动器上下极板间的初始间距。

通过分析得到，当n＝2时，即锚梁5和内弹性梁7的长度满足L₂＝L₁，触发器11的厚度满足 $d=\frac{5}{6}{g}_0$ 时，微型平板静电驱动器的驱动行程为原始平板距离的55％左右，此时的增大驱动行程效果最优，而极板间的驱动电压却变化很少。

Claims (3)

1.一种微型平板静电驱动器，包括上极板(3)、下极板(17)及支撑梁，上极板(3)由位于极板四角的四个梁支撑，位于下极板(17)的正上方，基底(13)上是绝缘层，下极板(17)位于绝缘层之上，其特征在于：所述的支撑梁具有非线性弹性系数，包括锚梁(5)、内弹性梁(7)、横梁(9)、触发器(11)和锚点(12)，其中，锚梁(5)的一端固定于锚点(12)上，锚点(12)固定在绝缘层上，锚梁(5)和内弹性梁(7)平行，并通过横梁(9)连接于同一平面内，触发器(11)固定于横梁(9)的下方，并与基底(13)有一定距离。

2.根据权利要求1的一种微型平板静电驱动器，其特征在于：所述锚梁(5)的长度L₂和内弹性梁(7)的长度L₁的关系满足 $L_2=L_1\sqrt[3]{\frac{1}{n-1}},$ 触发器(11)的厚度满足 $d=\frac{2n+1}{3n}{g}_0,$ 其中n＝1，2，3……，g₀为平行板静电驱动器上下极板间的初始间距。

3.一种微型平板静电驱动器的制作方法，其特征在于工艺步骤为：

1)在基底(13)上依次沉积绝缘层和多晶硅层，并在多晶硅层上刻蚀出微型平板静电驱动器的下极板(17)；

2)淀积牺牲层(20)，并刻蚀出锚点(12)、触发器(11)的位置；

3)淀积多晶硅层，刻蚀并释放得到上电极(3)及支撑梁。

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