[发明专利]一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及光开关

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统领域，涉及一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及包含由该方法制得的双稳态结构的光开关。 

背景技术

MEMS（Micro-electro-mechanical systems)，即微机电系统，是利用微加工技术制造出来的各种微型器件或系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。相对于传统的机械，MEMS器件尺寸更小，最大的不超过1cm，甚至仅仅为几μm；故采用与集成电路（IC）类似的生成技术，利用IC生产中的成熟技术与工艺，进行批量生产，性价比相对于传统“机械”制造技术会大幅度提高。MEMS器件借助成熟的半导体生产技术，采用硅等材料作为载体，促进各式各样的新型微型化传感器与驱动器的蓬勃发展。随着器件的微型化，MEMS技术被广泛用于微型投影仪，光开关，光可变衰减器，微型光谱仪，微型光学探头等。 

其中的光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口，是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。随着光纤通信网络的快速发展，对光无源器件包括光开关的需求越来越大，其中光开关用来重新配置光网络或增加其可靠性。目前研究把MEMS技术用在制造光开关上面，可提高光开关的性能，同时减小器件的体积、成本，最为重要的一点是它可以把光开关做在一块硅片上，能够大规模集成光开关阵列。 

目前光开关有单稳态与双稳态两种，其中，单稳态光开关是当光开关的供 电电源切断后，光开关的状态始终倒换到默认通道，而双稳态光开关当切断电源后，光开关的状态停留在断电前的通道；相对来说，单稳态光开关比双稳态光开关原理复杂，功耗大。 

为实现光开关的双稳态，采用一种弹性结构，它在外力作用下发生弹性变形，外力撤销时不会回复至初始状态，而是稳定在另外一个状态，称这种结构为双稳态结构或双稳态机构。该结构只需要输入完成切换状态的能量，不需要继续输入能量就能维持在两个状态中的任意一个状态，从而达到节能的目的。 

现有专利文献CN 101654216A公开的弧形MEMS柔顺双稳态机构，包括弧形梁、柔性弹簧、集中质量块和基座，其中，集中质量块固定设置于弧形梁的正中心，弧形梁的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧的一端相连，两个柔性弹簧的另一端分别与两个相同结构的基座相连。在该发明中，其利用初始弧形MEMS结构实现来双稳态中的初始状态，通过外力切换至另一个状态位置。尽管上述结构也可以实现双稳态效果，但是在切换过程中，仍需要外力的辅助作用才可以完成状态切换，操作相对复杂，可靠性较低，也会影响装置的响应速度。同时，该双稳态机构的制作需要两个掩膜版，制作后仅是一个双稳态的机构，并没有能同时制作出光路开关所需的镜面及基座，使得在使用过程中还需要再加工或再装配等工序，给使用带来不便。 

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种制作结构简单，响应速度快，可靠性高、耗能低的MEMS微镜双稳态结构的方法，该制作工艺简单易行，且微镜面与直梁驱动臂、基座一体成型，制作精度更高。 

本发明的目的之二在于提出一种光开关，该光开关的双稳态结构通过上述方法制作得到，该MEMS微镜双稳态结构的光开关操作方便，无需外力作用即可 实现两个状态的切换，能耗低。 

为达此目的，本发明采用以下技术方案： 

一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，包括以下步骤： 

步骤A：在清洗好的高阻态硅片的正面沉积第一层电介质薄膜材料，并刻蚀形成驱动臂中的第一材料结构层； 

步骤B：在第一材料结构层上蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层，该金属层为焊盘与驱动臂中的一层材料结构，该金属层与步骤A中形成的第一层材料结构层形成驱动臂； 

步骤C：在步骤B中形成的金属层上溅射第二层金属薄膜，并采用刻蚀或剥离工艺形成微镜面； 

步骤D：以微镜面作为掩膜，在高阻态硅片的背面进行深硅刻蚀，并形成一空腔，该空腔位于微镜面与驱动臂的下方； 

步骤E：在高阻态硅片的正面进行深硅刻蚀，并无需对其掩膜，以形成直梁双稳态结构； 

步骤F：刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。 

进一步地，所述步骤A中的沉积的方式为PECVD，刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀。 

进一步地，所述步骤A中的第一层电介质薄膜的材料为SiO₂。