[发明专利]一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法，属于硅微机械制作领域。

背景技术

随着科学技术的日新月异和科学研究的不断深入，人类已经把目光投向了微观领域。对微观未知领域的科学探索大大促进了微/纳操作作业工具的研究与发展。近年来，伴随着MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)微加工技术的不断成熟发展，硅基微/纳定位平台以其结构尺寸小、成本低、定位精度高等特点被广泛应用于微力传感器、光学(如：光纤光学切换器、微光学镜头扫描器)、显微共焦成像、扫描探针显微镜、高密度数据存储、生物医学等微/纳操作领域。硅基微/纳定位平台的发展给微观世界探索提供了作业工具与研究手段，对于促进我国科学技术发展具有重要的科学意义。

国内外对硅基定位平台研究的学术文献非常多，到目前为止定位平台主要采用体硅或表面微机械加工技术制作。平台驱动主要采用静电梳齿致动器为主。因为静电梳齿致动器可用体硅或表面微机械工艺制作，工艺兼容性好，便于控制且易于实现系统集成。其中，由于表面微机械加工制作的定位平台受薄膜沉积工艺的限制，不易制作结构层较厚的驱动结构，因此制作后的定位平台强度难以进一步提高且驱动电压比较大，大大限制了平台的应用范围。基于上述因素，目前文献上报道的硅基定位平台多以体硅微机械加工技术制作为主，采用双面光刻对准工艺，通过硅片背面湿法(或干法)刻蚀减薄，再利用阳极键合工艺将局部区域减薄后的硅片与玻璃片键合在一起，最后通过硅片正面干法刻蚀释放可动结构方式来制作定位平台，如以下文献：Lining Sun，Jiachou Wang，Weibin Rong，et al.A silicon integrated micro nano-positioning XY-stage for nano-manipulation，Journal of Micromechanics and Microengineering，18(2008)125004(9pp)；CheHeung Kim and Yongkweon Kim.MicroXY-stage using silicon on a glass substrate，Journal of Micromechanics and Microengineering，12(2002)103-107；Xinyu Liu，Keekyoung and Yu Sun.A MEMS stage for 3-axis nanopositioning，Journal of Micromechanics and Microengineering，17(2007)1796-1802。这种传统体硅工艺制作的硅基定位平台尺寸较大、成本高、工艺复杂且与IC兼容性差不利于大批量生产。为了解决这一问题，目前部分学者利用SOI硅片来替代传统键合结构来制作硅基定位平台，这种方式虽然解决了传统体硅微机械技术制作硅基定位平台的不足，但是SOI硅片价格昂贵，因此制作成本难以降低。

目前，在硅基定位平台集成位移自检测传感器方面的文献报道很少，目前只有哈尔滨工业大学王家畴博士论文有相关平台结构论述。但是其定位平台还是采用传统的硅-玻璃键合结构，在(100)硅片上制作定位平台，然后通过与Pyrex7740玻璃键合构成完整的平台结构，其中在各静电梳齿致动器末端均集成了压敏电阻。这种结构方式虽然增加了位移检测传感器，提高了定位精度，但是加工后器件尺寸还是很大，成本很高且工艺很复杂，工艺兼容性差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的芯片尺寸大、制作成本高、制作工艺复杂且工艺兼容性差的不足而提供一种3-DOF硅基纳米级定位平台及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种3-DOF硅基纳米级定位平台，包括单晶硅衬底，该衬底的同一表面上设置有四个静电梳齿致动器和一个正方形定位台，其中，所述四个静电梳齿致动器以正方形定位台为中心呈对称分布，各静电梳齿致动器通过其输出端的柔性弯曲梁与正方形定位台相连接，所述静电梳齿致动器前后两侧分别对应连接有柔性折叠梁和位移检测梁，所述静电梳齿致动器、正方形定位台、柔性折叠梁和位移检测梁通过绝缘锚点与单晶硅衬底连接，悬浮在单晶硅衬底之上；

在驱动方式上，所述正方形定位台采用侧向静电梳齿驱动和平板电容驱动两种复合驱动方式实现平台的X、Y、Z三轴运动控制，通过给静电梳齿致动器施加驱动电压实现正方形定位台沿X和Y方向平动；所述单晶硅衬底上设有Z轴驱动电极，通过给单晶硅衬底与正方形定位台之间施加驱动电压实现正方形定位台沿Z方向运动；