CN103288034A

CN103288034A - 一种离面静电驱动器及其制作方法

Info

Publication number: CN103288034A
Application number: CN 201210050886
Authority: CN
Inventors: 王建坤; 杨振川; 闫桂珍
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明涉及一种低驱动电压MEMS梳齿式离面静电驱动器结构及其制备方法，本发明的驱动器结构包括固定电极、可动电极、锚点、组合扭转梁、驱动输出部分和信号引出焊盘；所述固定电极为固定在基片上的梳齿式电极；所述可动电极为连接到所述驱动输出部分的梳齿式电极；所述组合扭转梁，包括两组折叠扭转梁和一个支架横梁，悬浮固定在基片上。本发明通过采用扭转组合梁，将角位移转化为线位移，不但可以实现低驱动电压下的大行程离面运动，也可以抑制静电拉入效应的影响，提高驱动器的可靠性。本发明工艺过程简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可以实现与其他微光机电系统集成。

Description

一种离面静电驱动器及其制作方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)领域，特别是关于一种基于梳齿驱动的低驱动电压离面静电驱动器。

背景技术

采用MEMS技术实现的静电驱动器由于具有体积小、响应快、可靠性高等优点，在自适应光学例如微变形镜等领域取得了广泛的应用和发展。其中，梳齿式静电驱动器尤其是实现离面运动的梳齿式静电驱动器具有实现双向驱动、大驱动行程、可以在线检测和在线控制、易于集成等优势，成为重要的MEMS静电驱动器之一，并在微变形镜、扫描微透镜、光学移相器等领域取得了广泛的应用。要实现离面运动的梳齿式静电驱动器需要产生离面静电驱动力，而离面驱动力一般与驱动电压的平方成正比，因此梳齿式静电驱动器产生较大驱动行程需要的驱动电压一般较大。同时，由于受到静电吸合效应(pull-in effect)的影响，较大的驱动电压会引起驱动器可靠性降低，抗冲击能力较差。上述因素限制了这类驱动器的应用范围。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低驱动电压MEMS梳齿式离面静电驱动器结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低驱动电压梳齿式离面静电驱动器结构，具有以下特征：它包括基片、固定电极、可动电极、锚点、组合扭转梁、驱动输出部分和信号引出焊盘；所述固定电极为固定在基片上的梳齿式电极；所述可动电极为连接到所述驱动输出部分的梳齿式电极；所述组合扭转梁，包括两组折叠扭转梁和一个支架横梁，悬浮固定在基片上；所述折叠扭转梁为多个扭转横梁(即可扭转的窄梁)通过首尾相连的方式折叠而成；所述支架横梁为连接两组所述折叠扭转梁的通梁；第一组所述折叠扭转梁的一端连接基片，另一端连接所述支架横梁；第二组所述折叠扭转梁的一端连接所述支架横梁，另一端连接所述驱动输出部分；所述信号引出焊盘包括连接到固定电极的金属焊盘和连接到可动电极的金属焊盘；所述驱动输出部分为用于自适应光学的微变形镜、微透镜等功能部件。

所述扭转组合梁可以是等高梁或是单端不等高梁。所述等高梁为所述折叠扭转梁的顶部和底部分别与所述支架横梁的顶部和底部平齐；所述单端不等高梁为所述折叠扭转梁底部与支架横梁的底部平齐，顶部低于支架横梁的顶部；

所述MEMS梳齿式离面静电驱动器主要采用如下制备工艺：

(1)选择包括单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层和单晶硅衬底层的SOI(Silicon-on-insulator绝缘体上硅)基片；

(2)在单晶硅器件层表面进行掺杂，以形成欧姆接触，并在单晶硅衬底层表面形成氧化硅掩膜，以定义驱动器的背腔区域；

(3)在单晶硅器件层表面形成氧化硅掩膜，再在单晶硅器件层表面和氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅与光刻胶的复合掩膜；然后以光刻胶掩膜为掩膜刻蚀释放结构；

(4)去除光刻胶掩膜，以氧化硅掩膜为掩膜刻蚀定出固定电极顶部与可动电极顶部之间的高度差；

(5)以单晶硅衬底层上的氧化硅掩膜为掩膜刻蚀出驱动器的背腔区域；

(6)去除氧化硅掩膜和背腔区域的二氧化硅埋层，并处理第(4)步刻蚀后的梳齿电极表面；

(7)制作金属电极，完成驱动器制备。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在MEMS微驱动结构中采用了扭转组合梁设计，该扭转组合梁在面内方向具有很大的刚度，而在离面具有较小的刚度，降低了大驱动行程需要的驱动力和驱动电压，同时抑制了静电吸合效应的影响；2、本发明采用了SOI的单晶硅器件层作为MEMS微驱动结构，大大减小了结构内应力和温度变化等的影响，提高了器件的可靠性；3、本发明采用了梳齿电极作为驱动电极，可以实现大批量制造，工艺过程简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可以实现与其他微光机电系统集成。

附图说明

图1是本发明实施例平面结构示意图

图2是本发明实施例立体结构示意图

图3是本发明实施例组合扭转梁立体结构示意图

图4是本发明实施例离面驱动的工作原理示意图

图5A～图5H是本发明实施例制备过程结构剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。但是以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。

图1所示为本发明实施例平面结构示意图，图2所示为本发明实施例立体结构示意图。本实施例尺寸为3000μm×3000μm，该尺寸仅用于实例，本发明不限于此。本实施例MEMS梳齿式离面静电驱动器结构包括基片(图中未标示)可动电极1、固定电极2、驱动输出部分3、锚点4、信号引出焊盘(图中未标示)和扭转组合梁5。

可动电极1和固定电极2共有四组梳齿式电极，在驱动输出部分3四周呈旋转对称分布。每组梳齿式电极都包括可动电极1和固定电极2，并且每组梳齿电极都是单端不等高梳齿，即可动梳齿电极的底端与固定梳齿电极及驱动器其他结构底端平齐，顶端低于固定梳齿电极及驱动器其他结构顶端，反之也可，如图2所示。这种单端不等高梳齿电极可以产生离面的向上或者向下的静电驱动力。

组合扭转梁5包括第一组折叠扭转梁51、第二组折叠扭转梁53和支撑横梁52，本实施例中共有四个组合扭转梁，在驱动输出部分3四周呈旋转对称分布。图3是本发明实施例组合扭转梁立体结构示意图。本实施例中，折叠扭转梁51和53分别由三个扭转横梁通过首尾相连的方式折叠，扭转横梁为可扭转的窄梁，梁宽度远小于梁长度。折叠扭转梁51的一端通过锚点4固定到基片上，另一端连接到支撑横梁52；折叠扭转梁53的一端连接到支撑横梁52，另一端连接到驱动输出部分3。支撑横梁52两端分别连接到折叠扭转梁51和53，其长度远大于扭转横梁的长度，宽度远大于扭转横梁的宽度，主要作用是将折叠横梁51和53产生的角位移转化成线位移，而支撑横梁本身并不产生变形。假设折叠扭转梁产生的角位移为θ，支撑横梁的长度为L，则驱动输出部分3的线位移即离面驱动行程约为L×θ(假设θ很小)。

本发明的MEMS梳齿式离面静电驱动器结构可以实现离面的垂直线运动，如图4所示为本发明实施例离面向下驱动的工作原理示意图。驱动电压施加在单端不等高的固定梳齿电极2和可动梳齿电极1上，其中可动梳齿电极1的底端与固定梳齿电极2的底端平齐，但是可动梳齿电极1的顶端高于固定梳齿电极2的顶端。可动梳齿电极2和驱动输出部分3就会受到离面向下的静电驱动力，此静电驱动力作用到支撑梁上，会引起折叠51和53扭转梁产生扭转变形(即产生角位移)，如图4所示。由于支撑横梁52宽度和厚度都很大，几乎不会产生弯曲和扭转变形；但会把折叠扭转梁51和53产生的扭转变形转化为驱动输出部分3的离面位移，即实现了角位移到离面线位移的转化，从而输出离面位移。离面向上驱动的原理跟上述离面向下驱动的原理相同，只是可动梳齿电极1的顶端要低于固定梳齿电极2的顶端，而底端与固定梳齿电极2的底端平齐。

本实施例中，驱动输出部分3的尺寸约为1000μm×1000μm，该尺寸仅用于实例，本发明不限于此。该驱动输出部分3为微变形反射镜，但在具体实施过程中不限于微变形反射镜，微型透镜等自适应光学器件亦适用于本发明。

本实施例中，折叠扭转梁51和53都由三个扭转横梁折叠组成，但在具体实施过程中不限于使用三个扭转横梁，四个或者四个以上扭转横梁折叠组成的折叠扭转梁亦适用于本发明。

本实施例中，驱动器同时具有双向离面驱动的功能，即可以离面向上驱动，也可以离面向下驱动。单独具有离面向上驱动或离面向下驱动的驱动器亦适用于本发明。

以下是本发明MEMS梳齿式离面静电驱动器的制备工艺：

1、如图5A所示，选择SOI基片，单晶硅衬底层13厚度为400μm，二氧化硅埋层12厚度为2μm，单晶硅器件层为N型(100)晶向，厚度为60μm；

2、如图5B所示，在单晶硅器件层11表面进行掺杂，以形成欧姆接触，并在在单晶硅衬底层13表面形成氧化硅掩膜，以定义驱动器的背腔区域；

3、在单晶硅器件层11表面形氧化硅掩膜15，再在单晶硅器件层11表面和氧化硅掩膜15表面形成光刻胶掩膜16，进而形成氧化硅与光刻胶的复合掩膜(如图5C所示)；然后以光刻胶掩膜为掩膜刻蚀释放结构，定义出梳齿电极间距17等(如图5D所示)；

4、如图5E所示，去除光刻胶掩膜16，以氧化硅掩膜15为掩膜刻蚀定出固定电极顶部与可动电极项部之间的高度差，得到梳齿电极等被减薄的部分18，本实施例中该高度差为30μm；

5、如图5F所示，以单晶硅衬底层13上的氧化硅掩膜14为掩膜刻蚀出驱动器的背腔区域19，背腔区域19应当包括所有分布有梳齿电极和支撑梁的区域；

6、如图5G所示，去除单晶硅器件层11表面的氧化硅掩膜15和单晶硅衬底层13表面的氧化硅掩膜14，并去除背腔区域的二氧化硅埋层12；处理第4步刻蚀后的梳齿电极表面；

7、如图5H所示，制作金属电极6(图1、2中未标示)，完成驱动器制备。

本实施例中，所述单晶硅衬底层、单晶硅器件层、二氧化硅埋层和不等高的高度差的尺寸仅作为实例，本发明不限于此。SOI硅片单晶硅衬底层厚度为300μm～500μm，单晶硅器件层厚度为10μm～80μm，二氧化硅埋层厚度为0.5μm～3μm，制作的不等高的高度差为5μm～40μm，均适用于本发明。

上述实施例仅为说明本发明而列举，凡在本发明技术方案的基础上进行的同等变化，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种低驱动电压MEMS梳齿式离面静电驱动器结构，其特征在于：它包括基片、固定电极、可动电极、锚点、组合扭转梁、驱动输出部分和信号引出焊盘；

所述固定电极为固定在基片上的梳齿式电极；

所述可动电极为连接到所述驱动输出部分的梳齿式电极；

所述组合扭转梁，包括两组折叠扭转梁和一个支架横梁，悬浮固定在基片上；

所述折叠扭转梁为多个扭转横梁(即可扭转的窄梁)通过首尾相连的方式折叠而成；

所述支架横梁为连接两组所述折叠扭转梁的通梁；

第一组所述折叠扭转梁的一端连接基片，另一端所述支架横梁；第二组所述折叠扭转梁的一端连接所述支架横梁，另一端连接所述驱动输出部分。

2.如权利要求1所述的一种低驱动电压MEMS梳齿式离面静电驱动器结构，其特征在于：所述扭转组合梁为单端不等高梁。

3.如权利要求1所述的一种低驱动电压MEMS梳齿式离面静电驱动器结构的制备方法，其主要包括以下工艺：

(2)在单晶硅器件层表面进行掺杂，以形成欧姆接触，并在在单晶硅衬底层表面形成氧化硅掩膜，以定义驱动器的背腔区域；

(3)在单晶硅器件层表面形氧化硅掩膜，再在单晶硅器件层表面和氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅与光刻胶的复合掩膜；然后以光刻胶掩膜为掩膜刻蚀释放结构；

(7)制作金属电极，完成驱动器制备。