[发明专利]一种离面静电驱动器及其制作方法

说明书

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。