專利名稱：柔性靜電激勵(lì)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電激勵(lì)器結(jié)構(gòu)，并且更具體地涉及靜電激勵(lì)的微 加工出的激勵(lì)器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
薄膜技術(shù)的進(jìn)展使得復(fù)雜集成電路得以發(fā)展。這種半導(dǎo)體技術(shù)被
調(diào)整形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)。已經(jīng)形成了很多不同種的MEMS 器件，包括微型傳感器、微型齒輪、微型馬達(dá)和其它顯微設(shè)計(jì)制造的 器件。例如，微型懸臂已經(jīng)用來施加旋轉(zhuǎn)機(jī)械力以旋轉(zhuǎn)微加工的彈簧 和齒輪。使用電磁場來驅(qū)動(dòng)微型馬達(dá)。使用壓電力來可控地移動(dòng)^L加 工的結(jié)構(gòu)。激勵(lì)器或其它MEMS部件的受控?zé)崤蛎浺呀?jīng)被用來形成 用于驅(qū)動(dòng)微型器件的力。
柔性復(fù)合物靜電激勵(lì)器通常包括由柔性電極和絕緣體制造的柔 性復(fù)合物。柔性復(fù)合物附著至包括固定電極的襯底并能在靜電力下朝 著襯底偏轉(zhuǎn)。絕緣體布置在柔性復(fù)合物和襯底之間以避免柔性電極和 固定電極的短路。通過在柔性電極和固定電極之間施加電壓，柔性復(fù) 合物通過靜電吸引而被拉向襯底。沒有電壓時(shí)，通常是柔性復(fù)合物中 的應(yīng)力使柔性復(fù)合物巻曲而遠(yuǎn)離襯底。柔性復(fù)合物激勵(lì)器的應(yīng)用包括 氣體或流體閥、光學(xué)快門、射頻移相器、紅外檢測器的斷路器、微型 激勵(lì)器、電氣開關(guān)以及可變射頻電容器。
圖1中示出了美國專利No. 6,236,491的常規(guī)激勵(lì)器。其中的激勵(lì) 器包括固定復(fù)合物130和柔性復(fù)合物50。固定復(fù)合物130包括襯底10、 固定電極20和襯底絕緣體30。包括柔性電極40的柔性復(fù)合物50置 于固定復(fù)合物130上方，并且包括固定部分70、中間部分80和末端 部分IOO。固定部分70基本上附著于下面的襯底IO或中間層。中間 部分80從固定部分70延伸并且在沒有施加靜電力的情況下保持在適 當(dāng)?shù)奈恢?，從而在下面的平表面和中間部分80之間限定出氣隙120。
在完成激勵(lì)器時(shí)，中間部分80和末端部分100都從下面的固定 復(fù)合物130釋放。末端部分IOO在操作中自由移動(dòng)、巻曲而遠(yuǎn)離下面的平表面并改變與其的間距。 一旦柔性復(fù)合物50彎曲，中間部分80 能朝著下面的平表面巻曲、遠(yuǎn)離下面的平表面巻曲、或者與之保持恒 定的間距。
在橫截面上，柔性復(fù)合物50可以具有包括至少一個(gè)電極層40的 多層，并且可以包括偏置層以機(jī)械地增強(qiáng)柔性復(fù)合物上面對固定部分 70的一部分。層的數(shù)目、層的厚度、層的布置以及所使用材料的選擇 可以選擇為使得柔性復(fù)合物能朝向下面的微電子襯底電極巻曲、遠(yuǎn)離 下面的微電子襯底電極地巻曲、或者與之保持平行。
柔性復(fù)合物50通常包括聚合物膜60、柔性電極40以及另 一聚合 物膜62。在去除制造該結(jié)構(gòu)時(shí)使用的釋放層34之后，柔性復(fù)合物50 的各層之間不同的熱膨脹系數(shù)將中間部分80和末端部分100機(jī)械地偏 置為巻曲而遠(yuǎn)離下面的表面32。末端部分100可以以可變或恒定的曲 率半徑巻曲。
因?yàn)橹虚g部分與末端部分類似地構(gòu)造，電極40和聚合物膜之間 不同的熱膨脹系數(shù)傾向于使中間部分巻曲。然而，可以在第二層聚合 物膜上可選地施加聚合物膜、金屬或其它材料的附加層以用作偏置控
分在適當(dāng)?shù)奈恢?。或者，可以向材料施加固有?yīng)力以增強(qiáng)巻曲的傾向 并增加柔性復(fù)合物和襯底表面之間距離。
盡管常規(guī)激勵(lì)器很精巧，但是還有很多問題影響激勵(lì)器的可靠性 和性能。這些在下面詳述的問題在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中得以解決。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種在減小的工作電壓條件下關(guān)閉的 激勵(lì)器，所述減小的工作電壓不大可能在激勵(lì)器的絕緣材料中引起介 電擊穿。
本發(fā)明的另 一個(gè)目標(biāo)是提供一種激勵(lì)器，其柔性膜在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng) 以維持相對于加壓流體的關(guān)閉。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種激勵(lì)器，其關(guān)閉電壓對于給定的所施加流體壓力而言被降低，并且因此不大可能在激勵(lì)器的絕緣材料 中引起介電擊穿。
本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)是減少異物粘著于激勵(lì)器的柔性膜，并且因 此提供了柔性膜在電氣偏置之下更加可預(yù)測的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)是減少激勵(lì)器中局部高電場的區(qū)域，并且因 此不大可能在激勵(lì)器的絕緣材料中引起介電擊穿。
這些和其它目標(biāo)在本發(fā)明的實(shí)施例中提供。
在一個(gè)示例性的實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包括 第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相接 觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第 二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的自 由端部。柔性膜的自由端部構(gòu)成為在靜電力下相對于基部移動(dòng)。該靜 電激勵(lì)器還包括設(shè)在柔性膜的上表面、柔性膜的下表面和基部的上表 面其中至少 一個(gè)表面上的非浸潤化合物。
在另一個(gè)示例性的實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包 括第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相 接觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的 第二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的 自由端部。作為柔性膜的一部分，增強(qiáng)件遠(yuǎn)離固定端部而布置在柔性 膜上。
在另一個(gè)示例性的實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包 括第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相 接觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的 笫二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的 自由端部。靜電激勵(lì)器包括延伸貫穿基部并且沿著遠(yuǎn)離固定端部的方 向延伸的細(xì)長孔。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包括 第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相接 觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的自 由端部。基部的第一電極在朝向固定端部的方向上延伸過柔性膜的第 二電極的一端。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包括 第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相接 觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第 二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的自
由端部。柔性膜包括構(gòu)造為與柔性膜內(nèi)部相通的周邊或側(cè)面切口 (cut out)。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種靜電激勵(lì)器，其具有包括 第一電極的基部，并且具有柔性膜，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相接 觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第 二電極。柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反的自 由端部。激勵(lì)器具有布置在柔性膜上表面、柔性膜下表面和基部上表 面之中的至少一個(gè)上的非浸潤化合物。
應(yīng)當(dāng)理解到，本發(fā)明的前述概括描述和下面的詳細(xì)描述都是示例 性的，而非是對于本發(fā)明的限制。
參照下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述能更好地理解本發(fā)明，因此易于獲
得本發(fā)明更加徹底的理解及其很多附帶優(yōu)點(diǎn)，在附圖中
圖l是示出常規(guī)微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，該激勵(lì) 器利用階梯式減小來減小柔性膜和固定襯底層之間的縫隙；
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性透視圖，該激勵(lì) 器包括增強(qiáng)件；
圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性透視圖，該激 勵(lì)器包括錐形閥孔；
圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性透視圖，該激勵(lì)器包括細(xì)長閥孔；
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性透視圖，該激勵(lì) 器包括閥孔上的偏轉(zhuǎn)件；
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性分解圖，該激勵(lì) 器包括閥孔上的偏轉(zhuǎn)件；
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，該激勵(lì) 器包括柔性膜和固定村底層上的非浸潤層；
圖8A是示出常規(guī)微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，其中示出了局 域電場增強(qiáng)點(diǎn)；
圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，其中 轉(zhuǎn)移了局域電場增強(qiáng)點(diǎn)；
圖8C是示出根據(jù)本發(fā)明的齒結(jié)構(gòu)的示意性頂視圖，該齒結(jié)構(gòu)連 接柔性膜和固定襯底層；
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的齒結(jié)構(gòu)的SEM顯微照片；
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性透視圖，該激 勵(lì)器包括柔性膜下側(cè)表面上的變化；
圖11A是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，該激 勵(lì)器包括由微機(jī)械激勵(lì)器接觸的電氣開關(guān)觸點(diǎn)；和
圖lIB是示出根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，該激 勵(lì)器形成由該微機(jī)械激勵(lì)器激勵(lì)的光學(xué)器件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，其中同樣的附圖標(biāo)記在所有附圖中標(biāo)識相同或相 應(yīng)的部件，本發(fā)明的各個(gè)方面通過本發(fā)明下面的示例性實(shí)施例進(jìn)行描 述。
激勵(lì)器的"工作電壓，，通常指的是施加于固定電極和柔性電極(比 如圖2中的電極20、 40)之間以關(guān)閉激勵(lì)器的電勢并且通常由"開始 拉下電壓"限定，"開始拉下電壓"指的是施加以開始關(guān)閉的電勢。更具 體地，開始"拉下"電壓將柔性復(fù)合物50拉動(dòng)至與固定復(fù)合物130相接
ii觸。在開始接觸之后，可以使用較低的電壓來逐漸地將柔性復(fù)合物50 的其余部分拉動(dòng)至與固定復(fù)合物130相接觸，從而以例如拉鏈狀的方 式關(guān)閉激勵(lì)器。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示，通過將電極20和40之 間遠(yuǎn)離末端部分100的至少一部分縫隙120變窄，能降低激勵(lì)器的工 作電壓。在這個(gè)實(shí)施例中，淀積和構(gòu)圖釋放層34 (為示例的目的示出 并且工作的激勵(lì)器中沒有)，使得釋放層頂面的形狀復(fù)制柔性復(fù)合物 50的下側(cè)表面的形狀。如上所述，釋放層的去除允許柔性復(fù)合物50 遠(yuǎn)離固定電極20地巻曲、在沒有偏置之下如圖1所示在柔性復(fù)合物 50的中間和末端部分80、 IOO之間形成出口角。
在固定和柔性復(fù)合物130、 50之間得到的由釋放層34的厚度所 確定的縫隙120影響用來開始拉下柔性膜50的開始拉下電壓。釋放層 通?？梢詾?000二厚。對于緊緊巻曲的柔性復(fù)合物50，可能需要200V 的開始拉下電壓。所得到的10MV/cm的電場超過了大多介電材料的 擊穿強(qiáng)度。較薄的釋放層34減小了柔性和固定復(fù)合物50、 130之間的 縫隙120，從而降低了開始拉下電壓。然而，過薄的釋放層(例如遠(yuǎn) 小于IOOO二 )會導(dǎo)致因?yàn)獒尫艑又械牟贿B續(xù)性或缺陷會妨礙柔性復(fù)合 物一些部分的釋放而導(dǎo)致難以釋放激勵(lì)器。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，釋放層34的厚度在距固定部分70 — 定距離處減小，如圖2中示意性地示出。這樣，所得到的柔性復(fù)合物 50的電極40在更靠近固定部分70的那些區(qū)域中與襯底電極20分開 一個(gè)減少量，從而形成分級的縫隙120。因而，在固定部分70附近形 成較小的縫隙，就產(chǎn)生了較低的開始拉下電壓，而釋放層34的主體足 夠地厚以確保適當(dāng)?shù)尼尫盼g刻，
在一個(gè)示例性的例子中，釋放層34的主體可以為1000-2000二厚， 而在釋放層34的分級部分可以為100至1000厚。為了形成分級部分， 釋放層34可以分階段地淀積；在柔性復(fù)合物50的固定部分70附近可 以執(zhí)行釋放層較大的蝕刻，和/或可以用灰度級光刻來提供厚度上更加 "模擬的"減小。雖然圖2僅示出了兩個(gè)臺階，但是可以形成多個(gè)臺階，例如2000; 1000)、 500二和接著的250;來最小化釋放層的變薄部分 的面積同時(shí)在緊鄰固定部分處將縫隙減少至其最小的可能距離以最小 化拉下電壓。例如，對于釋放層厚度為2000二且關(guān)閉電壓為72V的柔 性膜激勵(lì)器，在固定部分附近將釋放層厚度減少至500 ;就將關(guān)閉電壓 減小至64V,減少大約10%。對于釋放層厚度為2000二且關(guān)閉電壓為 310V的激勵(lì)器，將釋放層厚度減少至500;就將該電壓減小至245V， 減少大約20%。
形成臺階的一種方法將是釋放膜的掩蓋淀積，隨后是多次光刻掩 模，每次掩模之后是局部蝕刻暴露的釋放膜?；蛘?，如果用升離技術(shù) 來淀積釋放膜，則多次掩模和淀積可以用來分階段地形成釋放層。
灰度級光刻是在釋放層的厚度上形成模擬(即較平滑)變化的第 三種方式?；叶燃壒饪躺婕靶纬晒庋谀＃摴庋谀Ｔ谘诒文さ牟煌该?性上具有變化或者具有不能在抗蝕膜上一對一地分辨的不透明和透明 區(qū)域的非常精細(xì)的圖案。在任一情況下，曝光劑量選擇為只是部分地 顯影去掩模灰度級區(qū)域之下抗蝕劑的厚度，因?yàn)檎丈淇刮g膜的UV輻 射量在晶片的表面上經(jīng)受橫向的轉(zhuǎn)變，從沒有不透明材料的完全曝光 (在顯影期間完全去除抗蝕劑)到掩模完全不透明的無曝光(并且沒 有去除抗蝕劑)。因而抗蝕膜的厚度逐漸變化，而不是圖2所示接近 垂直的臺階。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傾斜的轉(zhuǎn)變能以RIE 臺階傳送到下面的釋放層，所述RIE臺階以大致相同的速率蝕刻光掩 模和釋放層。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，如圖3中示意性地示出，激勵(lì)器提供 為用作氣體或流體閥，并且相對于較大的壓力保持關(guān)閉而沒有顯著增 大工作壓力。"壓力"指的是相對于柔性復(fù)合物50的下側(cè)表面通過氣體 或液體施加的力，所述氣體或液體通過固定復(fù)合物130中的孔320朝 著柔性復(fù)合物50的下側(cè)表面流動(dòng)并撞擊該下側(cè)表面。
如圖3所示，這個(gè)實(shí)施例中的柔性復(fù)合物50包括孔帽310,其可 由布置在柔性復(fù)合物50之上或之內(nèi)的一層增強(qiáng)材料形成。增強(qiáng)材料可 以通過淀積金屬層和通過升離技術(shù)構(gòu)圖而形成，或者通過淀積聚合物、氧化物或氮化物層并通過化學(xué)或等離子蝕刻構(gòu)圖而形成。增強(qiáng)材料可
以是金屬，比如Cr、 Au、 Au合金、或者A1，不過才艮據(jù)本發(fā)明也可以 使用其它金屬和非金屬，包括例如氧化物、氮化物或聚酰亞胺。除了 形成孔帽310，在沒有施加偏置時(shí)，中間部分中的一層增強(qiáng)材料影響 柔性復(fù)合物的出口角。如果增強(qiáng)材料是導(dǎo)電的，則可以將電壓施加至 孔帽310以在柔性和固定復(fù)合物50、 130之間產(chǎn)生或增大靜電吸引。 導(dǎo)電的增強(qiáng)材料可以通過蝕刻的通路電連接至柔性復(fù)合物中的柔性電 極。在某些實(shí)施例中，柔性電極在固定復(fù)合物的孔之上可不連續(xù)。通 過電連接導(dǎo)電的增強(qiáng)層，在固定復(fù)合物的孔周圍提供了附加的靜電力。
不管是否有電壓施加于孔帽310，孔帽310都通過在孔320附近 具有增大的機(jī)械強(qiáng)度而提供了更加牢固的密封。帽增大的機(jī)械強(qiáng)度允 許較大面積的周圍電極的靜電力來幫助相對于固定復(fù)合物130保持柔 性復(fù)合物50。在單個(gè)激勵(lì)器內(nèi)可包括多個(gè)孔和相應(yīng)的孔帽。優(yōu)選地， 包含孔帽的面積大于孔的面積。如果孔帽的面積小于孔的面積，那么 柔性復(fù)合物50的總體硬度將僅僅增大很小的量，并且不能獲得增大的 壓力的能力。雖然示出為孔帽，但是除了靠近孔的那些區(qū)域之外，增 強(qiáng)件還可以施加于柔性復(fù)合物50的其它區(qū)域?？刂瓶酌焙腿嵝詮?fù)合物 50硬度的變量包括增強(qiáng)材料的選擇、增強(qiáng)材料的機(jī)械屬性(例如楊氏 模量)、材料的厚度、孔帽310的形狀、孔帽和孔口之間的重疊量、 以及孔帽310是布置在柔性復(fù)合物(頂面或底面)上還是之內(nèi)。金屬 增強(qiáng)件和孔口之間面積比的優(yōu)選范圍為從1.4至9,不過其它范圍也適 用于本發(fā)明。增強(qiáng)件(例如孔帽)厚度的優(yōu)選范圍從0.5jim至1.5fim, 不過其它范圍也適用于本發(fā)明。 一種優(yōu)選的金屬是具有鉻粘附層的金。 適合的孔帽形狀包括圓形帽或與激勵(lì)器轉(zhuǎn)軸(hinge)(寬度方向)平 行的多排平行桿。已經(jīng)示出，對于孔尺寸為70微米的閥激勵(lì)器，應(yīng)用 增強(qiáng)帽將壓力保持能力增大20至50% 。
如圖4A、 4B和5所示，本發(fā)明的另一實(shí)施例通過將氣流或液流 導(dǎo)向柔性復(fù)合物50遠(yuǎn)離固定部分70的更末端部分(即自由端)，降 低了用于閉合柔性膜的工作電壓。通過孔的氣流或液流相對于柔性復(fù)合物50的下側(cè)施加壓力，從而阻止柔性復(fù)合物50靠近固定復(fù)合物 130。
根據(jù)本發(fā)明，圖4A的激勵(lì)器能通過修改孔420的形狀來將流體 導(dǎo)向到更遠(yuǎn)的末端部分。錐形孔，比如圖4A所示的三角形孔420，具 有朝向柔性復(fù)合物50的固定部分70布置的單個(gè)尖端430。通過將穿 過孔的流體導(dǎo)向遠(yuǎn)離柔性復(fù)合物的固定部分70，孔420方便了激勵(lì)器 的開始關(guān)閉。在激勵(lì)器關(guān)閉時(shí)，柔性復(fù)合物50被氣流或液流撞擊的總 體面積就減少，并且靜電力隨著間距的減少而增大，從而方便了柔性 復(fù)合物50在孔420的其余部分上的閉合。優(yōu)選但非必要地，三角形孔 420與柔性復(fù)合物的固定端垂直的尺寸應(yīng)當(dāng)至少為該三角形平行于該 方向的尺寸的兩倍，并且更優(yōu)選地為3倍，從而形成如圖4A所示的 細(xì)長三角形形狀。
根據(jù)替換實(shí)施例，通過孔的流量可以在柔性復(fù)合物的下表面上均 勻地分布。如圖4B所示，這通過在固定復(fù)合物中形成長條形(oblong shaped)孔來實(shí)現(xiàn)。分配流量將起到與偏轉(zhuǎn)流量類似的作用(如上所 述并如圖4所示)，因?yàn)榉峙淞髁繉p少集中于更靠近柔性復(fù)合物中 間部分的區(qū)域中的流量。當(dāng)在柔性復(fù)合物下面固定復(fù)合物的中心中具 有圓形孔時(shí)，較大的流量將集中于更靠近中間部分。這種較大的集中 流量將降低柔性復(fù)合物(具體地說在圓形孔的位置處)封蓋固定復(fù)合 物表面的能力。通過長條形孔提供的分配流量將在孔上增大關(guān)閉能力。 另外，與圓形孔具有相同面積的細(xì)長孔將具有柔性復(fù)合物在孔的位置 處需要跨越的較小孔距離(即圓形孔在孔位置處更寬，長條形孔更窄)。 這種較小的距離轉(zhuǎn)變?yōu)樵诳孜恢锰幣c固定復(fù)合物相接觸的增大柔性電 極面積，這增大了相對于固定復(fù)合物130保持柔性復(fù)合物50的靜電力。 長條形孔的寬度將大大地小于通常的圓形孔的寬度以提供與圓形孔相 同的流動(dòng)面積但是具有更長的長度。在某些實(shí)施例中，長條形孔的長 度可以為柔性復(fù)合物長度的30至90%。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，圖5的激勵(lì)器采用偏轉(zhuǎn)件590來將氣 流或液流朝著柔性復(fù)合物50的更末端部分偏轉(zhuǎn)。這樣，偏轉(zhuǎn)件590將流體流導(dǎo)向柔性復(fù)合物50的更末端或自由部分，從而方便了激勵(lì)器 以上述例子中的方式關(guān)閉。偏轉(zhuǎn)件590可將部分氣體或流體完全偏轉(zhuǎn) 離開柔性復(fù)合物50;并且從而減小了來自遠(yuǎn)離柔性復(fù)合物50下側(cè)表 面法線方向的流體流的抑制壓力。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)件590可以例如布置為在孔320 之上延伸的懸臂式翼片；并且機(jī)械被動(dòng)(即不是電驅(qū)動(dòng)的)。如圖6 示意性地示出，偏轉(zhuǎn)件590可以包括布置在介電層30和襯底10之間 的鉻層690。鉻層690可被構(gòu)圖以限定出孔320之上的偏轉(zhuǎn)翼片590 的橫向尺寸。如果孔320從固定復(fù)合物的襯底IO—側(cè)蝕刻出來，那么 襯底的蝕刻將停止于暴露在孔320中的鉻和聚酰亞胺膜30。在停止于 釋放層34之前，可使用例如氧氣RIE步驟來蝕刻暴露的聚酰亞胺膜。
根據(jù)本發(fā)明用來制造偏轉(zhuǎn)件590的 一種工藝是利用升離技術(shù)在硅 村底的頂面上蒸發(fā)和構(gòu)圖Cr層。然后，淀積聚酰亞胺基層，隨后淀 積和構(gòu)圖底部電極和覆蓋底部電極的固定聚酰亞胺絕緣體。淀積和構(gòu) 圖釋放層，隨后進(jìn)行其余的標(biāo)準(zhǔn)工藝序列以形成覆蓋閥孔的柔性膜 30。在背面蝕刻硅以形成貫穿襯底的孔(其停止于Cr或聚酰亞胺并 且不會將它們蝕刻)之后，對背面執(zhí)行02 RIE步驟以蝕刻暴露釋放 層的暴露聚酰亞胺。Cr偏轉(zhuǎn)件防止了 Cr上的聚酰亞胺被蝕刻。 一旦 釋放層被蝕刻掉，形成于柔性膜中的翼片就是自由的。Cr層690和 Cr上的聚酰亞胺層30 (由于Cr的掩蔽而沒有被蝕刻)用作偏轉(zhuǎn)件 590。這兩層(即Cr和聚酰亞胺)仍然彼此附著。覆蓋閥孔的柔性膜 翼片的制造不會受到偏轉(zhuǎn)件制造的影響。
本發(fā)明的另一實(shí)施例，如圖7所示，防止柔性復(fù)合物50與固定 復(fù)合物130的靜摩擦。如果流體或其它雜質(zhì)淀積在激勵(lì)器表面上，那 么在電操作(打開或關(guān)閉)期間會發(fā)生靜摩擦。在將柔性復(fù)合物相對 于固定復(fù)合物保持平狀所需的電壓被去除時(shí)，靜摩擦將阻止柔性復(fù)合 物巻曲離開固定復(fù)合物。例如，如果水或油浸潤了柔性和固定復(fù)合物 的表面，在去除電壓時(shí)，如果由于中間流體層所引起的表面張力大于 柔性復(fù)合物中的恢復(fù)應(yīng)力，柔性復(fù)合物將不會巻曲離開固定復(fù)合物。為了降低靜摩擦，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例將非浸潤層(例如疏水或
疏油層)710、 720、 730布置于固定復(fù)合物130的頂面、柔性復(fù)合物 50的底面和柔性復(fù)合物50的頂面之中的至少一個(gè)或多個(gè)上?；蛘?， 如果給定的非浸潤材料具有適合的介電和機(jī)械性質(zhì)，或者反之亦然， 層30、 60、 62可以由非浸潤層710、 720、 730替換或用作非浸潤層 710、 720、 730。
非浸潤層710、 720、 730防止不期望的浸潤成分(例如水或油)
的粘附；或者使得該成分形成為液珠而非連續(xù)的膜。非浸潤層描述為
一種增大淀積在表面上的流體的接觸角以使得流體在該表面上形成液
滴或液珠的材料。對于非浸潤性質(zhì)，優(yōu)選地接觸角大于90°。對于低
的接觸角，流體將在表面上浸潤或展開并且不會形成液滴或液珠。浸 潤行為會導(dǎo)致柔性復(fù)合物與固定復(fù)合物的靜摩擦。例如，如果水或油
浸潤柔性和固定復(fù)合物的表面，在去除電壓時(shí)，如果由中間流體層引 起的表面張力超過柔性復(fù)合物中的恢復(fù)應(yīng)力(導(dǎo)致巻曲的應(yīng)力)，柔 性復(fù)合物將不會巻曲離開固定復(fù)合物。如果表面是非浸潤的并且水或 油成珠，那么就不會發(fā)生靜摩擦；另外，激勵(lì)器的打開和關(guān)閉動(dòng)作(巻 曲和伸展開)將會把液珠或液滴推出器件的工作區(qū)域。
在水或油被引入激勵(lì)器環(huán)境時(shí)靜摩擦尤其普遍。于是，本發(fā)明的 備用材料包括用于疏水、疏油或化學(xué)惰性表面的聚合物或其它適合材 料。更具體地，聚合物可以包括含氟復(fù)合物(例如聚四氟乙烯@)、硅 氧烷聚合物(例如聚二甲基硅氧烷或PDMS)、以及自組合單層 (SAM)，例如十八烷基珪烷(ODS) 、 二氯二甲基硅烷(DDMS)、 全氟代癸基三氯硅烷(FDTS)。根據(jù)本發(fā)明，這些涂層能施加于釋放 的活動(dòng)擋板器件暴露的親水表面，即固定的電介質(zhì)(例如聚酰亞胺或 Si02)和金屬表面，以使得暴露的表面變得疏水。例如，聚合物可作 為附加的旋涂層集成到激勵(lì)器制造過程中；并且與聚酰亞胺層同時(shí)地 被光學(xué)限定和蝕刻，這是因?yàn)榭梢允褂孟嗤奈g刻化學(xué)物質(zhì)(例如02 等離子體)。通過在巻曲聚合物層之前施加稀釋的聚合物溶液并通過 離心法除去(spinoff)多余部分，非浸潤層還可施加為單層；例如，類似于用于光致抗蝕劑的增粘劑工藝，其中多余的增粘劑被通過離心 法除去以僅留下單層。
在某些實(shí)施例中，疏水或非浸潤層將施加于釋放的激勵(lì)器器件。 這將需要汽相淀積的聚合物，例如通過物理汽相淀積(例如蒸發(fā))、 化學(xué)汽相淀積、用噴霧進(jìn)行噴涂或者利用非常稀釋的溶液進(jìn)行浸涂。
或者，聚合物表面可以被等離子處理以改變那些表面的浸潤行
為。聚合物表面的等離子處理可以從例如美國專利No.5，147，678所述 的現(xiàn)有技術(shù)中知道；該專利的全部內(nèi)容以引用的方式結(jié)合于此。在那 種情況下，無需其它聚合物。例如，根據(jù)本發(fā)明可以使用比如氟等離 子或化學(xué)等離子處理(例如CF4、 CHF3、 SF6、和HF)之類的表面處 理。根據(jù)本發(fā)明還可以使用氫等離子或化學(xué)處理(例如H2、 SiH4、 CH4、 有機(jī)硅烷)來修改釋放的活動(dòng)擋板器件暴露的親水表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)(通 過結(jié)合F或H離子)，以使得暴露的表面疏水。
盡管本發(fā)明中所述的進(jìn)步或無論如何使用上述實(shí)施例，由于激勵(lì) 器的工作電壓所產(chǎn)生的電場會導(dǎo)致激勵(lì)器中的電介質(zhì)擊穿。防止電介 質(zhì)擊穿的措施可允許激勵(lì)器采用更高的工作電壓。而且，電介質(zhì)擊穿 的減少可以保護(hù)和增加激勵(lì)器的潛在應(yīng)用。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例解決了由固定和柔性電極20、 40的邊緣和 角部導(dǎo)致的電介質(zhì)擊穿。如圖8A所示，柔性和固定電極40、 20的階 梯結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了相應(yīng)的邊緣/角部880、 890。與沿著電極40、 20的平表 面的電場相比，這些邊緣/角部880、 890可以提高這些角部附近的局 部電場。盡管插入了介電層30,但是電場增強(qiáng)仍然會導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，形成電場增強(qiáng)點(diǎn)的邊緣/角部880、 890 被平滑化以防止形成電場增強(qiáng)點(diǎn)。平滑化角部的一種方法是以標(biāo)準(zhǔn)的 微型制造技術(shù)淀積和構(gòu)圖底部電極，然后旋轉(zhuǎn)淀積在底部電極的上邊 緣上比周圍區(qū)域薄的薄平材料。然后通過對平狀材料和底部電極具有 相似蝕刻速率的蝕刻方法進(jìn)行蝕刻，以便在蝕刻周圍電極任何部分之 前去除底部電極的上角部，將其平滑化。或者，也可以使用前述的灰 度級光刻來平滑化角部。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，如圖8B所示，固定電極20在朝向柔 性復(fù)合物50的固定部分70的方向上延伸經(jīng)過柔性電極40。因此，柔 性電極40的凹形邊緣/角部880被去除，并且固定電極20的凸形邊緣 /角部8卯被重新定位，以使得柔性電極40不再布置在固定電極20的 邊緣/角部890上，并且介電層30在電極20、 40的末端邊緣/角部之 間的跨度增大。
本發(fā)明的另一實(shí)施例，如圖8C所示，解決了由將柔性復(fù)合物50 附著至固定復(fù)合物130的突起或齒850所引起的電介質(zhì)擊穿。齒優(yōu)選 地為形成于柔性復(fù)合物的底層中的結(jié)構(gòu)，其突出貫穿釋放層并附著于 固定復(fù)合物的介電層。齒通過釋放層的缺失而形成，使得柔性復(fù)合物 和固定復(fù)合物能在與固定區(qū)域70垂直且相鄰的狹窄區(qū)域中連接起來。 齒可以控制(優(yōu)選地降低)柔性復(fù)合物50相對于固定復(fù)合物130的出 口角。通過降低出口角，可以降低工作電壓。齒850限定了固定區(qū)域 70在激勵(lì)器的制造期間延伸入中間區(qū)域80的區(qū)域。圖9是柔性復(fù)合 物50的SEM顯微照片，其中柔性復(fù)合物50已經(jīng)被彎曲至沿著齒的 頂面撕裂的點(diǎn)。這個(gè)顯微照片示出了齒與柔性復(fù)合物50和固定復(fù)合物 130之間的關(guān)系。
由于柔性復(fù)合物130的該結(jié)構(gòu)，柔性電極40有效地向下進(jìn)入齒 的部分，并且在齒的角部會出現(xiàn)電擊穿。三維角部形成于齒區(qū)域中柔 性電極更靠近村底處，并且由于該角部的局部幾何形狀而在該角部處 存在著電場的集中和增大。通過圓化齒850的角部以產(chǎn)生如圖8C所 示的齒860，角部的銳度降低并且電介質(zhì)擊穿的發(fā)生也減少。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，柔性復(fù)合物50沿著其外側(cè)邊緣具有 表面變化，比如凸起和凹陷，以減輕與MEMS工藝相關(guān)的一個(gè)制造 問題。圖IOA示出了用聚酰亞胺覆蓋的柔性復(fù)合物50的頂視圖。柔 性復(fù)合物50沿著其橫向外側(cè)邊緣60c具有突起60a。突起60a示出為 通過從柔性復(fù)合物50的橫向邊緣進(jìn)行圓柱形提取去除而形成。
在MEMS器件的量級，由于表面性質(zhì)導(dǎo)致的力通常相對于由于 體積性質(zhì)導(dǎo)致的力占主導(dǎo)地位。在完成濕式蝕刻以將柔性復(fù)合物50
19從固定復(fù)合物130釋放時(shí)，進(jìn)行漂洗以去除蝕刻劑；并且然后還去除 漂洗所殘留的液體。如果柔性復(fù)合物50沒有適當(dāng)?shù)馗稍?，所?dǎo)致的表 面張力可以將柔性復(fù)合物50的部分朝著固定復(fù)合物130偏轉(zhuǎn)而向下返 回。換言之，即使柔性復(fù)合物50在釋放蝕刻之后被巻曲離開固定復(fù)合 物130，隨后由于干燥而導(dǎo)致的表面張力也會導(dǎo)致柔性復(fù)合物50朝著 固定復(fù)合物130伸展開并變得與之接觸。
結(jié)果，柔性復(fù)合物50可以推壓固定復(fù)合物130。柔性復(fù)合物50
保持復(fù)合物50、 130。避免這個(gè)問題的方法包括上述的在介電層30和 60上形成非浸潤層710、 720;用千法蝕刻來蝕刻釋放層34，例如基 于氣體的RIE;或者激勵(lì)器的超臨界干燥。
超臨界干燥采用了流體的液態(tài)和氣態(tài)之間的臨界點(diǎn)。通過將超臨 界的流體加壓到其臨界點(diǎn)壓力之上、將其加熱到臨界點(diǎn)溫度之上、并 且然后在升高的溫度下給腔室減壓、超臨界液體就被轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w而不 會形成液氣界面。超臨界干燥的一個(gè)非限制性的例子采用C02作為超 臨界流體。在這個(gè)例子中，從水槽中取出漂洗過的激勵(lì)器，放入異丙 醇槽，然后放入甲醇槽。然而將激勵(lì)器和一些甲醇放置在超臨界腔室 中，其中加入液體C02并且腔室被清洗至在腔室中僅留下co2。然而， 超臨界干燥并不是完美的工藝。因而，各種液體(例如水、異丙醇、 甲醇和液體C02)會不同程度地與柔性復(fù)合物50的表面(例如聚酰亞 胺表面)相互作用，以致于柔性復(fù)合物50呈現(xiàn)不同的巻曲和形狀。已 經(jīng)看出，柔性復(fù)合物50的巻曲能在漂洗槽中反轉(zhuǎn)，柔性復(fù)合物在所述 傾斜槽中試圖巻曲向下進(jìn)入襯底而非向上離開襯底。在此情況下，柔
物將呈凸起枕頭形。這會導(dǎo)致在超臨界干燥工藝期間漂洗流體滯留在 柔性復(fù)合物50下面并且滯留的液體會導(dǎo)致柔性復(fù)合物和固定復(fù)合物 130之間的靜摩擦。
如圖10A所示，固定復(fù)合物130和柔性復(fù)合物50之間的靜摩擦 可以通過所示突起60a而減少，所述突起使得流體能沿著外側(cè)邊緣在
20接觸表面區(qū)域下面流動(dòng)。另外作為替代方式，如圖10B所示，固定復(fù) 合物130和柔性復(fù)合物50之間的靜摩擦可以通過在橫向邊緣的接觸表 面上布置變化(例如突起60d和凹陷60b)來降低。橫向邊緣的接觸 表面上的這種變化例如可以通過形成不同厚度的釋放層34來形成。當(dāng) 在釋放層34上構(gòu)造柔性復(fù)合物50時(shí)，這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向邊緣60c 的表面。如果柔性復(fù)合物50在干燥期間伸展開，該變化就防止了橫向 邊緣60c和固定復(fù)合物130之間的密封，從而使得干燥劑(例如液體 C02)可在柔性復(fù)合物50下面接近任何流體，例如蝕刻劑或漂洗劑。 類似的結(jié)果，即在干燥期間防止橫向邊緣60c和固定復(fù)合物130之間 的密封，也可以通過在柔性復(fù)合物50的橫向邊緣60c中形成突起變化 60d而獲得。
因此，本發(fā)明提供了激勵(lì)器的不同實(shí)施例，其減少或消除常規(guī)微 型激勵(lì)器所遇到的共同問題。包括本發(fā)明一些或所有實(shí)施例的激勵(lì)器 的制造通常可以利用如上述美國專利No. 6,236,491所述的常規(guī)顯孩i光 刻技術(shù)進(jìn)行。不過，下面仍將詳述適用于本發(fā)明的制造工藝的示例性 細(xì)節(jié)。
參照附圖，村底10限定了其上可以構(gòu)造靜電MEMS器件的平表 面12。在某些實(shí)施例中，村底包括硅晶片，因?yàn)樨灤┕璐宓椎匚g刻出 高縱橫比孔的能力是最先進(jìn)的，不過也可以使用具有平表面的任何適 合襯底材料。其它半導(dǎo)體、玻璃、塑料或其它材料可用作襯底IO。為 了形成偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，比如偏轉(zhuǎn)件5卯，淀積和構(gòu)圖金屬層，比如鉻層。 ,層也可用于增強(qiáng)件，比如孔帽310。鉻是優(yōu)選的，因?yàn)槠洳粫挥?i限定出貫穿例如聚酰亞胺的閥孔320的氧RIE步驟所蝕刻。另外， 鉻在聚酰亞胺和硅之間提供了良好的粘著，并且不會被用來去除釋放 層的普通濕式蝕刻劑所腐蝕。鉻的淀積可以通過蒸發(fā)來進(jìn)行并且利用 升離光刻來構(gòu)圖。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，絕緣層14覆蓋襯底IO的平表面并且 提供了電絕緣。在某些實(shí)施例中，絕緣層14包括基于非氧化物的聚合 物，比如聚酰亞胺。在某些實(shí)施例中，如果在去除釋放層的過程中使用了某些酸，那么就不能使用基于氧化物的絕緣體。如果釋放層材料 和兼容的酸或蝕刻劑用于去除釋放層，那么可以使用其它絕緣體，甚 至基于氧化物的絕緣體。例如，如果使用不包含氫氟酸的蝕刻劑，那 么二氧化硅可用作絕緣層。絕緣層通過將適合的材料淀積在微機(jī)電襯 底的平表面上而形成。聚酰亞胺可以利用旋涂工藝淀積，并通過在氧
RIE等離子體中蝕刻膜而構(gòu)圖?；蛘?，可以淀積并通過UV曝光而構(gòu) 圖可光成像的聚酰亞胺材料。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，襯底電極20布置為附著于下面的絕 緣層14的表面上的大致平坦的層。在某些實(shí)施例中，襯底電極20包 括淀積在絕緣層14的頂面上的金層?？稍谝r底電極20上淀積鉻的薄 層以使得能更好地粘著至襯底?；蛘?，也可以使用其它金屬或?qū)щ姴?料，只要這些材料不會被釋放層處理操作所腐蝕。Cr和Au膜可以通 過蒸發(fā)來淀積并利用升離光刻技術(shù)來構(gòu)圖。襯底電極20的表面積和形 狀可以根據(jù)形成期望的靜電力的需要而變化。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可以在襯底電極20上淀積第二絕緣 層30，以電絕緣村底電極20并防止與柔性電極40短路。第二絕緣層 可以作為位于襯底電極20和柔性復(fù)合物50之間的具有預(yù)定厚度的介 電層而提供。在某些實(shí)施例中，第二絕緣層30包括聚酰亞胺，不過也 可以使用能夠耐受釋放層處理的其它無機(jī)介電絕緣體或聚合物。第二 絕緣層30可以有大致平坦的表面32。
釋放層在本發(fā)明中用來從例如固定復(fù)合物130構(gòu)造柔性復(fù)合物 50的上部結(jié)構(gòu)。釋放層34首先淀積在上面覆蓋的柔性復(fù)合物50的中 間部分80和末端部分100下面的區(qū)域中的平表面32上。釋放層僅施 加于柔性復(fù)合物沒有被附著于下面的平表面的那部分下面的區(qū)域中。 在某些實(shí)施例中，釋放層包括在施加酸時(shí)可被蝕刻掉的氧化物或其它 適合的材料。釋放層也可以在柔性復(fù)合物50的中間部分80附近淀積 或蝕刻至減薄的厚度，以減小在釋放層被蝕刻掉時(shí)所得到的縫隙120， 從而形成階梯形表面。
在已經(jīng)淀積覆蓋層之后，通常通過標(biāo)準(zhǔn)的微型制造酸性蝕刻技術(shù)來去除釋放層，比如氬氟酸蝕刻。在已經(jīng)去除釋放層之后，柔性復(fù)合
物50的中間和末端部分與下面的平表面32分離，在其間形成氣隙。 在某些實(shí)施例中，釋放層是通過PECVD淀積的Si02。用光致抗蝕劑 掩模層將釋放層構(gòu)圖，并且利用濕HF或其它酸性蝕刻或RIE蝕刻來 溶解Si02。在柔性復(fù)合物50的周邊周圍的錨(anchor)或溝槽處形 成階梯形表面的處理類似地通過光致抗蝕掩模層以及濕HF或其它酸 性或RIE蝕刻來進(jìn)行。
柔性復(fù)合物50的層通常覆蓋平表面32,并且在去除釋放層之前 也覆蓋釋放層。這些層垂直地布置和示出，而所述部分沿著柔性復(fù)合 物水平地布置?？梢杂靡阎募呻娐分圃旃に噥順?gòu)造包括柔性復(fù)合 物50的這些層。第一層的聚合物膜60施加于釋放層和平表面32的暴 露區(qū)域?？梢杂镁埘啺纷鳛榈谝粚拥木酆衔锬?，不過也可以使用包 括與釋放層處理相兼容的聚合物或無機(jī)材料的其它柔性薄膜。至少， 兩個(gè)層可以構(gòu)成柔性復(fù)合物50:第一層的聚合物膜60和第二層的柔 性電極40?；蛘?，最少的兩層可以包括第一層的柔性電極40和第二 層的聚合物膜62。柔性復(fù)合物50可以包括所有這三層。
具有一層柔性導(dǎo)電材料的柔性電極40淀積覆蓋第一層的聚合物 膜60。在某些實(shí)施例中，柔性電極40包括金，不過也可以使用其它 能夠耐受酸但是柔性的導(dǎo)體，比如導(dǎo)電聚合物膜。柔性電極40的表面 積或構(gòu)造可以根據(jù)形成希望的靜電力的需要而變化或者作為距變形點(diǎn) 105的距離的函數(shù)而變化。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，笫二層柔性聚合物膜62可以施加于 柔性電極層40上?；蛘?，可在柔性電極層上淀積一薄層鉻以使得能更 好地粘著于層狀聚合物膜。無論在什么情況下使用金層，如果改善金 與臨近材料的粘著需要，則可施加鉻。通常，聚合物膜是柔性的，并 且具有與電極層40不同的熱膨脹系數(shù)。因?yàn)殡姌O層40 (如果包括了 的話，還有偏置層110)和柔性復(fù)合物的聚合物膜以不同的比率膨脹， 所以柔性復(fù)合物就朝著具有更高熱膨脹系數(shù)的層巻曲。在某些實(shí)施例 中，用聚酰亞胺作偏置層，并且用旋涂工藝來淀積聚酰亞胺。閥孔320上的增強(qiáng)層可以通過在聚合物層62頂上淀積金屬膜而 形成。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，金屬可以是金，并且具有通過蒸發(fā) 而淀積并且用升離技術(shù)構(gòu)圖的鉻膠粘層。也可以使用其它金屬或材料， 只要這些金屬具有適合的機(jī)械強(qiáng)度和硬度以及對釋放蝕刻的耐化學(xué) 性。
在完成柔性復(fù)合物50之后，下一步驟通常涉及貫穿襯底地形成 閥孔320。利用施加于襯底背面的光致抗蝕劑掩;f莫，進(jìn)行深層硅RIE 以蝕刻貫穿襯底IO，并且停止于絕緣層14或偏轉(zhuǎn)件5卯上。然后用 氧RIE繼續(xù)進(jìn)行蝕刻，再次從背面蝕刻直到暴露出釋放層。然后可以 用濕HF蝕刻方法來蝕刻釋放層以將柔性復(fù)合物膜從襯底釋放。
然后可以漂洗襯底，并在超臨界干燥器中干燥，以避免柔性膜與 襯底的靜摩擦。然后可以通過用聚合物材料涂覆或通過用等離子或化 學(xué)處理改變暴露的表面以形成疏水性質(zhì)，對任一暴露表面施加疏水表 面處理。疏水表面使得器件能在通過閥孔引入有流體雜質(zhì)的情況下運(yùn) 行。疏水表面處理防止了柔性復(fù)合物部分和襯底之間由于流體淀積在 暴露的表面上而引起的靜摩擦。
如上所述，靜電激勵(lì)器具有很多應(yīng)用，包括應(yīng)用為光學(xué)快門、射 頻移相器、紅外檢測器的斷路器、微型激勵(lì)器、電氣開關(guān)、閥、以及 可變射頻電容器。本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以單獨(dú)地或組合地應(yīng)用于這 些應(yīng)用。
這種應(yīng)用的一個(gè)例子包括將本發(fā)明的激勵(lì)器用于在繼電器中具 有過度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電氣開關(guān)。在這種應(yīng)用中， 一個(gè)觸點(diǎn)設(shè)在柔性復(fù)合 物50的下側(cè)上，而另一個(gè)觸點(diǎn)設(shè)在固定復(fù)合物130的表面上。如圖 ll所示，兩個(gè)觸點(diǎn)22和26布置為使得，當(dāng)使柔性膜向下至襯底時(shí)， 觸點(diǎn)22和26分別接觸到開關(guān)23和27。如果觸點(diǎn)之間的釋放膜與觸 點(diǎn)周圍具有相同的厚度，那么當(dāng)釋放膜被蝕刻掉并且觸點(diǎn)閉合時(shí)，觸 點(diǎn)所能做的只是配合，并且接觸面沒有強(qiáng)的閉合力，這是因?yàn)榧?lì)器 電極僅包圍觸點(diǎn)。通過在接觸區(qū)域上將釋放膜變薄(整個(gè)區(qū)域或部分 區(qū)域)，當(dāng)使柔性膜向下至襯底時(shí)，觸點(diǎn)將首先接觸在一起，并且然后周圍電極區(qū)域?qū)⒔佑|。這就將部分閉合力從激勵(lì)電極傳遞到接觸區(qū) 域，帶來更好的電接觸和較低的電阻。
另 一例子包括根據(jù)本發(fā)明在固定復(fù)合物中包含用作氣體或流體
閥器件的孔(例如參見圖3、 4A和4B中的孔)的激勵(lì)器器件。閥器 件可以通過貫穿固定復(fù)合物蝕刻出具有高縱橫比的孔而形成(例如利 用深度RIE蝕刻硅晶片)?？梢杂米鞴潭◤?fù)合物的其它襯底包括玻璃、 石英或塑料襯底。除了深度RIE之外，固定復(fù)合物中的孔也可以通過 化學(xué)蝕刻或激光鉆孔而形成。閥器件的靜電激勵(lì)使得能控制流體或氣 體流，其中柔性復(fù)合物相對于固定復(fù)合物的密封防止了氣體或流體流 穿過孔(即封閉該閥)。
本發(fā)明的其它應(yīng)用包括用于調(diào)節(jié)電磁輻射的光學(xué)開關(guān)、快門或斷 路器。對于光學(xué)開關(guān)，可以通過改變?nèi)嵝詮?fù)合物頂表面上的向外反射 角來調(diào)節(jié)電磁輻射。當(dāng)靜電激勵(lì)器通過將電壓施加于電極而相對于固 定復(fù)合物變平時(shí)，根據(jù)入射角，與沒有施加電壓時(shí)激勵(lì)器巻曲時(shí)相比， 輻射將以不同的角度反射離開靜電激勵(lì)器。這種器件可用于光學(xué)開關(guān) 的微型鏡陣列。另外作為替代，柔性膜包括光吸收材料(由于電極材 料而增加或固有的)。這樣，當(dāng)柔性膜覆蓋孔時(shí)，穿過例如孔的光將 被切斷。圖IIB是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械激勵(lì)器的示意性側(cè)視圖，其構(gòu) 成了由微機(jī)械激勵(lì)器激勵(lì)的光學(xué)器件。元件325和325b分別表示通過 光學(xué)通路320傳輸或接收光的光源或光學(xué)檢測器。
例如在快門或斷路器中，電磁輻射可通過透明的固定復(fù)合物(其 中光學(xué)通路320構(gòu)成整個(gè)襯底)。用作固定復(fù)合物的透明襯底的選擇 取決于電磁輻射的波長。例如，石英能用于UV或可見輻射光的傳輸， 玻璃能用于可見輻射，而藍(lán)寶石、ZnS、 Si或Ge可用于IR輻射。對 于這種應(yīng)用，通過將電壓施加至電極來使柔性復(fù)合物變平引起了輻射 的反射，從而沒有施加電壓的巻曲激勵(lì)器就允許輻射通過襯底。各個(gè) 器件或快門或斷路器的陣列可以與需要這種調(diào)節(jié)器的任何電磁輻射檢 測器一起使用或與之集成，比如CCD陣列；HgCdTe紅外檢測器；用 于UV或IR的Si、 GaAs或其它半導(dǎo)體光電二極管；或未冷卻的熱電或微輻射計(jì)紅外檢測器。
在上述教導(dǎo)之下，本發(fā)明的很多變型和變化都是可能的。因此應(yīng) 當(dāng)理解，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以這里所具體描述之 外的其它方式實(shí)踐。
權(quán)利要求
1. 一種靜電激勵(lì)器，包括包括第一電極的基部；柔性膜，其包括至少兩個(gè)彼此相接觸的不同材料的材料層，至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第二電極；該柔性膜包括連接到基部的固定端部，和與固定端部相反的且與基部間隔開的自由端部，該柔性膜的所述自由端部構(gòu)成為在靜電力下相對于基部移動(dòng)；以及設(shè)在柔性膜的上表面、柔性膜的下表面和基部的上表面其中至少一個(gè)表面上的非浸潤化合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，其中在柔性膜內(nèi)，第二電極以連續(xù) 的方式過渡跨過第一和第二部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，其中在柔性膜內(nèi)，第二電極沿著第 二電極的長度在一個(gè)臺階處階躍過渡跨過第一和第二部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的激勵(lì)器，其中，在基部和柔性膜之間形成分級的縫隙，所述分級的縫隙在對應(yīng)于 固定端部的位置上較窄。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，其中第一電極在被限定為朝著固定 端部的方向上延伸過第二電極的一端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，還包括 遠(yuǎn)離柔性膜的固定端部而布置在柔性膜上的增強(qiáng)件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，其中基部包括襯底、布置在襯底上 的第一絕緣層、和布置在第一電極上的第二絕緣層，所述第一電極布 置在第一絕緣層上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，其中柔性膜還包括 機(jī)械偏置構(gòu)件，其從固定端部延伸到?jīng)]有附著于基部的自由端部上的一部分上，并且構(gòu)造為壓迫柔性膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的激勵(lì)器，還包括 柔性膜上的第一電觸點(diǎn)； 基部上的第二電觸點(diǎn)；和所述第一和第二電觸點(diǎn)形成了通過柔性膜的運(yùn)動(dòng)控制的電氣開關(guān) 的相對觸點(diǎn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的激勵(lì)器，還包括 延伸貫穿基部的孔；和所述柔性膜具有構(gòu)造為覆蓋所述孔的密封表面；和 所述柔性膜和所述基部包括通過柔性膜的運(yùn)動(dòng)控制的閥。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的激勵(lì)器，其中所述柔性膜包括光吸收材料和光反射材料中的至少一個(gè)，和 柔性膜和基部形成通過柔性膜的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)的光學(xué)開關(guān)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的激勵(lì)器，還包括 構(gòu)造為沿著柔性件的表面引導(dǎo)光的光源， 所述光被柔性膜的光反射材料反射。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的激勵(lì)器，還包括 構(gòu)造為引導(dǎo)光貫穿基部的光源， 所述光被柔性膜的光吸收材料吸收。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的激勵(lì)器，還包括 構(gòu)造為檢測電磁輻射的輻射檢測器；其中所述柔性膜包括將電磁輻射與輻射檢測器屏蔽開的光吸收材 料或光反射材料。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的激勵(lì)器，其中柔性膜包括多個(gè)柔性膜，并 且輻射檢測器構(gòu)造為檢測穿過基部的電磁輻射。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的激勵(lì)器，其中輻射檢測器包括多個(gè)輻射檢 測器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激勵(lì)器，其中所述非浸潤化合物包括 聚合物。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激勵(lì)器，其中所述孔包括延伸貫穿基部且沿著遠(yuǎn)離固定端部的方向延伸的細(xì)長孔。
19. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激勵(lì)器，還包括偏轉(zhuǎn)件，被構(gòu)造為使流體流從孔朝著柔性膜的自由端部偏轉(zhuǎn)的流 體流導(dǎo)向件。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的激勵(lì)器，其中所述偏轉(zhuǎn)件包括連接至 基部的附著端部和與附著端部相反的可動(dòng)端部。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的激勵(lì)器，其中所述孔在其朝向自由端 部的一側(cè)具有比其朝向固定端部的一側(cè)更大的流體傳輸截面。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的激勵(lì)器，其中所述孔包括朝著固定端 部逐漸變窄的三角形開口。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的激勵(lì)器，其中所述孔包括在柔性膜的 縱向長度方向上伸長的長條孔。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的激勵(lì)器，其中所述孔包括共同形成錐 形或長條形中至少一個(gè)的多個(gè)孔。
25. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激勵(lì)器，其中在基部和柔性膜之間形成分級的縫隙，所述分級的縫隙在對應(yīng)于 固定端部的位置上較窄。
26. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激勵(lì)器，其中所述柔性膜包括遠(yuǎn)離柔 性膜的固定端部而布置在柔性膜上的增強(qiáng)件。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的激勵(lì)器，其中所述增強(qiáng)件包括設(shè)在柔 性膜上的一個(gè)位置處的孔蓋，用于當(dāng)柔性膜接觸基部時(shí)覆蓋孔。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的激勵(lì)器，其中所述孔蓋包括圓形構(gòu)件、 矩形構(gòu)件、三角形構(gòu)件和長條形構(gòu)件其中一個(gè)。
29. 才艮據(jù)權(quán)利要求27所述的激勵(lì)器，其中孔蓋與孔之間的面積比 為0.5到20。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的激勵(lì)器，其中孔蓋的厚度為0.1到3 微米。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的激勵(lì)器，其中孔蓋包括導(dǎo)電材料。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的激勵(lì)器，其中孔蓋連接到笫二電極。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27所迷的激勵(lì)器，其中孔蓋包括絕緣材料。
34. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的激勵(lì)器，還包括 在柔性膜上的第一電觸點(diǎn)； 基部上的第二電觸點(diǎn)；和所述第一和第二電觸點(diǎn)形成了通過柔性膜的運(yùn)動(dòng)控制的電氣開關(guān) 的相對觸點(diǎn)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的激勵(lì)器，其中第一電極在被限定為朝 向固定端部的方向上延伸經(jīng)過第二電極的一端。
36. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激勵(lì)器，其中所述柔性膜還包括 機(jī)械偏置構(gòu)件，其從固定端部延伸到?jīng)]有附著于基部的自由褲部上的一部分上，并且構(gòu)造為壓迫柔性膜。
37. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的激勵(lì)器，其中，突起和凹陷被布置在 所述柔性膜的下表面上。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的激勵(lì)器，其中所述柔性膜的下表面上 的突起面向基部，所述突起朝著基部延伸。
39，根據(jù)權(quán)利要求38所述的激勵(lì)器，其中所述突起包括向內(nèi)延伸 的流體傳輸通道。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的激勵(lì)器，其中所述凹陷包括柔性膜周 邊邊緣上的波浪形狀。
41. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的激勵(lì)器，其中所述凹陷包括柔性膜 周邊邊緣上的波浪形狀。
42. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的激勵(lì)器，其中所述分級的縫隙在最靠 近固定端部的位置上減小第一和第二電極之間的間距。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的激勵(lì)器，其中所述減小的間距降低 移動(dòng)柔性膜所需的靜電電壓量。
44. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的激勵(lì)器，其中所述分級的縫隙在最 靠近固定端部的位置上減小第一和第二電極之間的間距。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的激勵(lì)器，其中所述減小的間距降低 移動(dòng)柔性膜所需的靜電電壓量。
全文摘要
一種靜電激勵(lì)器，其具有包括第一電極(20)的基部(10)，并且具有柔性膜(50)，該柔性膜包括至少兩個(gè)彼此相接觸的不同材料的材料層。至少一個(gè)材料層包括與第一電極電隔離的第二電極(40)。該柔性膜包括連接到基部的固定端部以及與固定端部相反且與基部間隔開的自由端部。柔性膜的自由端部構(gòu)成為在靜電力下相對于基部移動(dòng)。該靜電激勵(lì)器還包括設(shè)在柔性膜的上表面、柔性膜的下表面和基部的上表面其中至少一個(gè)表面上的非浸潤化合物。
文檔編號H01H59/00GK101471203SQ20091000591
公開日2009年7月1日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月23日
發(fā)明者戴維·E·道施, 斯考特·H·古德溫 申請人:研究三角協(xié)會