專利名稱：一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，尤其涉及一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器是微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中重要驅(qū)動(dòng)器之一。響應(yīng)快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)使其在MEMS領(lǐng)域，特別是自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，如微變形鏡中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。然而，拉入現(xiàn)象的存在使微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的有效驅(qū)動(dòng)行程只能達(dá)到平板初始間距的1/3左右，微機(jī)電器件的寶貴空間不能得到充分利用，從而限制了微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用。
為了增大微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程，美國(guó)人愛德華等提出了采用串連電容的方法(Electrostatic Micromechanical Actuator withExtended Range of Travel)，使其驅(qū)動(dòng)行程增大到初始間距的60％左右，其性能有了一定的提高，但是該方法需要在極板間施加五倍以上的驅(qū)動(dòng)電壓，這在MEMS領(lǐng)域是不經(jīng)濟(jì)的。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所需驅(qū)動(dòng)電壓高的缺陷，本發(fā)明提出一種采用非線性微梁支撐的微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器，使該驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電壓基本不變的情況下，驅(qū)動(dòng)行程卻有效提高。
本發(fā)明包括上極板3、下極板17及支撐梁。上極板3由位于極板四角的四個(gè)梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上。本發(fā)明針對(duì)支撐梁提出了一種具有非線性彈性系數(shù)的梁結(jié)構(gòu)。該非線性梁包括錨梁5、內(nèi)彈性梁7、橫梁9、觸發(fā)器11和錨點(diǎn)12。其中，錨梁5的一端固定于錨點(diǎn)12上，錨點(diǎn)12固定在絕緣層上。錨梁5和內(nèi)彈性梁7平行，并通過橫梁9連接于同一平面內(nèi)，觸發(fā)器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。
不工作時(shí)，錨點(diǎn)12通過錨梁5、內(nèi)彈性梁7和橫梁9支撐著上極板3；工作時(shí)，在靜電力的作用下，靜電驅(qū)動(dòng)器的上極板3、錨梁5、內(nèi)彈性梁7、橫梁9同時(shí)向下移動(dòng)，錨梁5和內(nèi)彈性梁7都發(fā)生彎曲變形。當(dāng)靜電力改變到一定值，上極板3、錨梁5、內(nèi)彈性梁7、橫梁9的向下位移加大，觸發(fā)器11與氮化硅層1接觸，這時(shí)錨梁5不再發(fā)生彎曲變形，而內(nèi)彈性梁7繼續(xù)發(fā)生彎曲變形，非線性微梁的彈性系數(shù)隨即增大，上極板3和內(nèi)彈性梁7繼續(xù)平緩向下移動(dòng)，這樣該非線性微梁結(jié)構(gòu)明顯增大了微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程。
本發(fā)明提出了微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的MUMPs工藝流程，該加工工藝過程見圖4，其工藝步驟為1)在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板(17)。
2)淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(diǎn)(12)、觸發(fā)器(11)和防粘附(21)的位置。
3)淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
本發(fā)明能夠在微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓基本不變的情況下，使其有效驅(qū)動(dòng)行程增大到極板初始間距的55％左右，有效地提高了MEMS器件寶貴空間的利用率，并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法新穎，效果顯著，能夠有效的促進(jìn)微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器在MEMS和自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。


圖1是本發(fā)明的示意2是本發(fā)明所述非線性梁結(jié)構(gòu)的放大示意3是圖2中所示的A-A向剖視4是本發(fā)明的MUMPS工藝過程(五)具體實(shí)施方法如圖1所示，本發(fā)明包括上極板3、下極板17及支撐梁。上極板3由位于極板四角的四個(gè)梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上。為了達(dá)到增大驅(qū)動(dòng)行程的目的，本發(fā)明針對(duì)支撐梁提出了一種新型的非線性梁結(jié)構(gòu)。如圖2，該非線性梁包括錨梁5、內(nèi)彈性梁7、橫梁9、觸發(fā)器11和觸點(diǎn)12。其中，錨梁5的一端通過錨點(diǎn)12固定在絕緣層上。錨梁5的另一端通過橫梁9和內(nèi)彈性梁7平行相連，觸發(fā)器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。錨梁5的長(zhǎng)度L2和內(nèi)彈性梁7的長(zhǎng)度L1的關(guān)系滿足L2=L131n-1,]]>觸發(fā)器11的厚度滿足d=2n+13ng0,]]>其中n＝1，2，3……，g0為平行板靜電驅(qū)動(dòng)器上下極板間的初始間距。通過分析得到，當(dāng)n＝2時(shí)，即錨梁5和內(nèi)彈性梁7的長(zhǎng)度滿足L2＝L1，觸發(fā)器11的厚度滿足d=56g0]]>時(shí)，微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程為原始平板距離的55％左右，此時(shí)的增大驅(qū)動(dòng)行程效果最優(yōu)，而極板間的驅(qū)動(dòng)電壓卻變化很少。
權(quán)利要求
1.一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器，包括上極板3、下極板17及支撐梁，上極板3由位于極板四角的四個(gè)梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上，其特征在于所述的支撐梁具有非線性彈性系數(shù)，包括錨梁5、內(nèi)彈性梁7、橫梁9、觸發(fā)器11和錨點(diǎn)12，其中，錨梁5的一端固定于錨點(diǎn)12上，錨點(diǎn)12固定在絕緣層上。錨梁5和內(nèi)彈性梁7平行，并通過橫梁9連接于同一平面內(nèi)，觸發(fā)器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述錨梁5的長(zhǎng)度L2和內(nèi)彈性梁7的長(zhǎng)度L1的關(guān)系滿足L2=L11n-13,]]>觸發(fā)器11的厚度滿足d=2n+13ng0,]]>其中n＝1，2，3……，g0為平行板靜電驅(qū)動(dòng)器上下極板間的初始間距。
3.一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于工藝步驟為1)在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板(17)。2)淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(diǎn)(12)、觸發(fā)器(11)和防粘附(21)的位置。3)淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
全文摘要
一種微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器及其制作方法，為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所需驅(qū)動(dòng)電壓高的缺陷，本發(fā)明提出了一種具有非線性彈性系數(shù)的支撐梁結(jié)構(gòu)，將錨梁5的一端固定于錨點(diǎn)12上，錨點(diǎn)12固定在絕緣層上。錨梁5和內(nèi)彈性梁7通過橫梁9平行連接，觸發(fā)器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離，該非線性微梁結(jié)構(gòu)明顯增大了微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行程。本發(fā)明的工藝為1.在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅(qū)動(dòng)器的下極板(17)。2.淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(diǎn)(12)、觸發(fā)器(11)和防粘附(21)的位置。3.淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1693180SQ20051004271
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者苑偉政, 喬大勇, 虞益挺, 饒伏波, 馬志波, 李曉瑩 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)