專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別是關(guān)于一種可以實(shí)現(xiàn)共面和離 面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在國防和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是現(xiàn)在備受矚目 的新興技術(shù)。微驅(qū)動器作為實(shí)現(xiàn)微操作的關(guān)鍵驅(qū)動部件，是微機(jī)電系統(tǒng)的核心。 在微機(jī)電系統(tǒng)中，微驅(qū)動器能通過平面運(yùn)動和離面運(yùn)動共同實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動功能。 多維運(yùn)動微驅(qū)動器在微機(jī)電系統(tǒng)中有著重要而廣泛的應(yīng)用前景，例如，相對于基 于單維運(yùn)動驅(qū)動器的傳感器，基于多維運(yùn)動驅(qū)動器的傳感器(如多維位置傳感器、 多維力傳感器和多維加速度計(jì)等)能獲取多維度、多層次的信息，能使傳感器性 能大幅提高；基于多維運(yùn)動驅(qū)動器的超精密微機(jī)器人能方便地實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動組合， 從而大大提升超精密加工、檢測和裝配等的技術(shù)水平。因此，實(shí)現(xiàn)高性能多維運(yùn) 動微驅(qū)動器對微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展具有重大作用。
靜電驅(qū)動由于具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時(shí)間短和功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在微執(zhí)行器中得 到了廣泛的應(yīng)用。靜電驅(qū)動能利用電荷間的吸引力作用驅(qū)動而產(chǎn)生平面或離面的 運(yùn)動。目前，靜電驅(qū)動方式受驅(qū)動原理和工藝技術(shù)限制，驅(qū)動結(jié)構(gòu)普遍只可實(shí)現(xiàn) 單一的共面或離面運(yùn)動，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動，從而大大限制了器件的 性能和應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動 結(jié)構(gòu)及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆取以下技術(shù)方案 一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微 驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底和驅(qū)動 輸出端；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側(cè)的梳齒式固定電極和固 定在所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設(shè)在所述梳齒 式固定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板 式可動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉(zhuǎn)梁，所述折疊橫梁包括通過短 梁連接所述兩可動電極的通梁，通過錨點(diǎn)懸浮固定在所述玻璃襯底上的折疊梁； 所述組合扭轉(zhuǎn)梁包括多個(gè)支梁，其中兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接兩可動電極的外側(cè)；另兩所述支梁的一端連接所述兩可動電極的內(nèi)側(cè)，另一 端連接驅(qū)動輸出端的尾部兩側(cè)，再兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連 接所述驅(qū)動輸出端的尾部。所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁可以是單端不等高梁。所述單端不等高的組 合扭轉(zhuǎn)梁可以與所述折疊橫梁的頂部平齊，底部高于所述折疊橫梁。所述單端不 等高的組合扭轉(zhuǎn)梁也可以與所述折疊橫梁的底部平齊，頂部低于所述折疊橫梁。所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁也可以是雙端不等高梁。所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁為單端不等高梁時(shí)，主要采用以下制備工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蝕深槽，所述深槽的深度定出玻璃襯底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(3) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進(jìn)行摻雜，以形成歐姆接觸；(4) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的引線電極；(5) 將玻璃襯底和硅片進(jìn)行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(6) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉(zhuǎn)梁上端的高度差；(7) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩?？涛g釋放結(jié)構(gòu)，完成微型光學(xué)器 件制備。所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁為雙端不等高梁時(shí)，主要采用以下制備工藝-(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，深槽的深度定 出折疊橫梁與組合扭轉(zhuǎn)梁的下端高度差；(3) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩模為掩?？涛g硅片形成深槽，深槽的深度 定出玻璃襯底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(4) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進(jìn)行摻雜，以形成歐姆接觸；(5) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的引線電極；(6) 將玻璃襯底和硅片進(jìn)行陽極鍵合；并將硅片減薄到固定電極的厚度；(7) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉(zhuǎn)梁上端的高度差；(8)去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩?？涛g釋放結(jié)構(gòu)，完成微型光學(xué)器 件制備。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明在微驅(qū)動結(jié)構(gòu) 中同時(shí)釆用梳齒型靜電驅(qū)動子部件和平行板型靜電驅(qū)動子部件的設(shè)計(jì)，不但可以 通過梳齒型可動電極與固定電極之間的作用，實(shí)現(xiàn)共面X軸方向的移動，而且可以通過可動電極和固定電極的相互作用，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輸出端的離面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。2、本發(fā)明在微驅(qū)動結(jié)構(gòu)中采用單晶硅材料制作，可以大大減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，提高器件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。3、本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以采用常規(guī)MEMS工藝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大批量制造，且工藝過程簡單，與多種類型的MEMS器件工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大的微執(zhí)行系統(tǒng)和微傳感系統(tǒng)等微光集成系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明平面結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明組合扭轉(zhuǎn)支撐梁結(jié)構(gòu)示意4a 圖4b是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能的工作原理示意5a 圖5b是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光衰減功能的工作原理示意6a 圖6g是本發(fā)明采用單端不等高支撐梁的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)制備過程示意7a 圖7d是本發(fā)明采用雙端不等高支撐梁的微驅(qū)動機(jī)構(gòu)制備過程示意圖具體實(shí)施方式
如圖1 3所示，本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括固定電極1、 2、 3，可動電極4、 5， 支撐梁6、 7，玻璃襯底8和驅(qū)動輸出端9。固定電極l、 2為相對設(shè)置在玻璃襯底8的頂面兩側(cè)的四組梳齒式電極，與其 對應(yīng)，兩個(gè)可動電極4分別梳齒插設(shè)在兩側(cè)的固定電極1、 2之間，形成兩個(gè)梳齒 型靜電驅(qū)動器。固定電極3為一平板式電極，其固定在玻璃襯底8的中部，兩可 動電極5亦為平板式電極，其分開一距離位于固定電極3的上方，與固定電極3之間具有一定空間間距，形成一平板型靜電驅(qū)動器。支撐梁包括折疊橫梁6和組合扭轉(zhuǎn)梁7，折疊橫梁6包括四個(gè)通過錨點(diǎn)61懸 浮連接在固定電極3兩側(cè)玻璃襯底8上的折疊彈簧梁62， 一根連接兩個(gè)梳齒型靜 電驅(qū)動器可動電極4的通梁63，通梁63通過兩個(gè)短梁64分別連接對應(yīng)設(shè)置的兩 對折疊彈簧梁62，在通梁63的中部設(shè)置有連接組合扭轉(zhuǎn)梁的三個(gè)結(jié)點(diǎn)65、 66、 67。組合扭轉(zhuǎn)梁7由六個(gè)支梁71、 72、 73、 74、 75、 76組成，其中，兩支梁71、72的一端分別連接結(jié)點(diǎn)65、 67，另一端分別連接兩可動電極5的外側(cè)；兩支梁73、 74的一端分別連接兩可動電極5的內(nèi)側(cè)，另一端分別連接驅(qū)動結(jié)構(gòu)輸出端9的尾 部兩側(cè)，兩支梁75、 76的兩端分別連接連結(jié)點(diǎn)66和驅(qū)動輸出端9的尾端，驅(qū)動 輸出端9可以連接各種需要驅(qū)動的微結(jié)構(gòu)。
上述實(shí)施例中組合扭轉(zhuǎn)梁7與折疊橫梁6不但在梁寬度方向相比非常窄，而 且在梁厚度方向也有差別，組合扭轉(zhuǎn)梁7與折疊橫梁6既可以制作成單端不等高 梁，又可以制作成雙端不等高梁。單端不等高梁為組合扭轉(zhuǎn)梁7與折疊橫梁6底 面(或頂面)平齊，頂面(或底面)不等高，雙端不等高梁為組合扭轉(zhuǎn)梁7與折 疊橫梁6頂面和底面都不平齊。
本發(fā)明的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)共面水平方向的移動，如圖4a所示，當(dāng)可動電 極4與固定電極1、 2相互作用，使兩可動電極4同步向左運(yùn)動時(shí)，由于可動電極 4與折疊橫梁6、組合扭轉(zhuǎn)梁7、可動電極5和驅(qū)動輸出端9連成一體，因此驅(qū)動 輸出端9便會與可動電極4一起沿X軸向左運(yùn)動。如圖4b所示，當(dāng)可動電極4與 固定電極l、 2相互作用，使可動電極4向右運(yùn)動時(shí)，驅(qū)動輸出端9便會與可動電 極4 一起沿X軸向右運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的共面水平X軸方向的移 動輸出。
同時(shí)，本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)離面的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖5a所示，由于折 疊橫梁6的結(jié)構(gòu)比較粗大，剛度也大，組合扭轉(zhuǎn)梁7的結(jié)構(gòu)非常細(xì)小，剛度也較 小，因此當(dāng)兩個(gè)可動電極5和固定電極3相互作用，使可動電極5在Z方向做離 面(向下)運(yùn)動時(shí)，折疊橫梁6剛性大基本不會發(fā)生移動，相當(dāng)于固定梁，而組 合扭轉(zhuǎn)梁7的各支梁剛性小，其中兩支梁71、 72在可動電極5的帶動下會以折疊 橫梁6的兩結(jié)點(diǎn)65、 67為軸，作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(如圖5b所示)，另兩支梁73、 74在可動電極5的帶動下，會帶動驅(qū)動輸出端9和兩支梁75、 76以折疊梁6的結(jié) 點(diǎn)66為軸，作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動使驅(qū)動輸出端9向上移動，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā) 明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的離面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。
下面是本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的制備工藝，其分為兩種情況
實(shí)施例l:制作單端不等高支撐梁的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)時(shí)，主要采取以下工藝
1、 起始材料采用雙拋N型(100)硅片ll (如圖6a所示)，厚度為400士10 掛來.
2、 在硅片11上形成氧化硅掩膜12，然后刻蝕深槽13，深槽13的深度定出 玻璃襯底上的固定電極3和可動電極5之間的間隙；
3、 如圖6b所示，去除氧化硅掩膜12，硅片ll表面采用離子注入或擴(kuò)散工藝姆接觸；4、 如圖6c所示，在玻璃襯底8上制作金屬電極15，作為微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的引線 電極；5、 如圖6d所示，將玻璃襯底8和硅片ll進(jìn)行陽極鍵合，并將硅片ll減薄 到固定電極l、 2、 3需要的厚度；6、 在硅片11上形成氧化硅掩膜16，再在氧化硅掩膜16表面形成光刻膠掩膜 17 (如圖6e所示)，進(jìn)而形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠掩膜17 為掩?？涛g深槽18 (如圖6f所示)，深槽18的深度定出組合扭轉(zhuǎn)梁7上端與折疊 橫梁6上端的高度差(如圖6g所示)，同時(shí)也是組合扭轉(zhuǎn)梁7上端與其它部件上 端的高度差；7、 去除光刻膠掩模17，以氧化硅掩模16為掩?？涛g釋放結(jié)構(gòu)，形成單端不 等高支撐梁，完成單端不等高支撐梁的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的制備。實(shí)施例2:制作雙端不等高支撐梁的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)時(shí)，主要采用以下工藝1、 起始材料采用雙拋N型(100)硅片11 (如圖6a所示)，厚度為400士10 微米；2、 首先在硅片11上形成氧化硅掩膜19，再在氧化硅掩模19表面形成光刻膠 掩膜20 (如圖7a所示)，進(jìn)而形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠20 為掩?？涛g深槽21 (如圖7b所示)，深槽21的深度定出組合扭轉(zhuǎn)梁7與折疊橫梁 6 (包括71， 72， 73等梁)的下端高度差(如圖7c所示)；3、 去除光刻膠掩模20，以氧化硅掩模19為掩模刻蝕硅片11形成深槽22， 深槽22的深度定出玻璃襯底上的固定電極3和可動電極5之間的間隙；4、 然后按照實(shí)施例1中的步驟3 步驟7進(jìn)行，完成雙端不等高支撐梁的微 型光器件的制備(如圖7d所示)。上述制作單端不等高支撐梁的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)時(shí)，如果單端不等高的組合扭轉(zhuǎn)梁7 與所述折疊橫梁6的頂部平齊，底部高于所述折疊橫梁6時(shí)，可以參照上述兩工 藝實(shí)施例，對工藝進(jìn)行個(gè)別調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。上述各實(shí)施例僅為說明本發(fā)明而列舉，凡在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的 等同變化，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1、一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底和驅(qū)動輸出端；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側(cè)的梳齒式固定電極和固定在所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設(shè)在所述梳齒式固定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板式可動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉(zhuǎn)梁，所述折疊橫梁包括通過短梁連接所述兩可動電極的通梁，通過錨點(diǎn)懸浮固定在所述玻璃襯底上的折疊梁；所述組合扭轉(zhuǎn)梁包括多個(gè)支梁，其中兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接兩可動電極的外側(cè)；另兩所述支梁的一端連接所述兩可動電極的內(nèi)側(cè)，另一端連接驅(qū)動輸出端的尾部兩側(cè)，再兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接所述驅(qū)動輸出端的尾部。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁為單端不等高梁。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述單端不等高的組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁的底部平齊，頂部低于所述折疊橫 梁。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述單端不等高的組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁的頂部平齊，底部高于所述折疊橫 梁。
5、 如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述組合扭轉(zhuǎn)梁與所述折疊橫梁為雙端不等高梁。
6、 如權(quán)利要求1 3所述的一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的制備方 法，其主要包括以下工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蝕深槽，所述深槽的深度定出玻璃襯 底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(3) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進(jìn)行摻雜，以形成歐姆接觸；(4) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的引線電極；(5) 將玻璃襯底和硅片進(jìn)行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(6) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉(zhuǎn)梁上端的高度差；(7) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩?？涛g釋放結(jié)構(gòu)，完成微型光學(xué)器 件制備。
7、如權(quán)利要求1或5所述一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的制備方法， 其主要包括以下工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，深槽的深度定 出折疊橫梁與組合扭轉(zhuǎn)梁的下端高度差；(3) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩模為掩?？涛g硅片形成深槽，深槽的深度 定出玻璃襯底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(4) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進(jìn)行摻雜，以形成歐姆接觸；(5) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結(jié)構(gòu)的引線電極；(6) 將玻璃襯底和硅片進(jìn)行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(7) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進(jìn)而 形成氧化硅和光刻膠的復(fù)合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩模刻蝕深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉(zhuǎn)梁上端的高度差；(8) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩?？涛g釋放結(jié)構(gòu)，完成微型光學(xué)器 件制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)共面和離面運(yùn)動的微驅(qū)動結(jié)構(gòu)及其制備方法，本發(fā)明微驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底、驅(qū)動輸出端；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側(cè)的梳齒式固定電極和固定在所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設(shè)在所述梳齒式固定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板式可動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉(zhuǎn)梁。本發(fā)明不但可以通過梳齒型可動電極與固定電極之間的作用，實(shí)現(xiàn)共面X軸方向的移動，而且可以通過可動電極和固定電極的相互作用，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輸出端的離面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。本發(fā)明工藝過程簡單，與多種類型的MEMS器件工藝兼容，可用于實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大的微光集成系統(tǒng)。
文檔編號H02N13/00GK101244801SQ20081005698
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者吳文剛, 王子千, 王陽元, 郝一龍, 閆桂珍, 陳慶華 申請人:北京大學(xué)