專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，micro-electro-mechanical-system)，特別涉及一種可在大尺寸范圍內(nèi)平動(dòng)的微機(jī)電系統(tǒng)及其用途。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是將微電子器件與微機(jī)械結(jié)構(gòu)融為一體的、跨學(xué)科的先進(jìn)制造技術(shù)，其目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化和集成化。當(dāng)上個(gè)世紀(jì)80年代末U.CBerkley的科學(xué)家向人們展示了采用微電子工藝加工的微型馬達(dá)后，MEMS開始被人們認(rèn)識(shí)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，MEMS器件因體積小、重量輕、功耗低、成本低、高可靠性等一系列優(yōu)異性能，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控和信息等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，并且已表現(xiàn)出了不可動(dòng)搖的地位。
迄今為止在各種各樣的微機(jī)電系統(tǒng)上，其執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，有懸梁結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)、微腔結(jié)構(gòu)等，目前應(yīng)用最廣泛的是懸梁結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，為懸梁結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，它采用靜電力驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)包括可動(dòng)部分和固定部分，都是用體硅加工而成，并鍵合在玻璃襯底上。懸臂梁根部固定，自由端帶著一豎直鏡面，在自由端附件有兩個(gè)限位塊，左右分別有兩個(gè)電極。它的工作原理如下中間電極(接懸臂梁)接地，一固定電極加電壓，在靜電力的作用下懸臂梁在力的方向上產(chǎn)生位移，并停止在限位處，發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)。改變懸臂梁與固定電極的電壓極性使得懸臂梁來回?cái)[動(dòng)，產(chǎn)生兩種穩(wěn)態(tài)，限位塊精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和確保電絕緣。
如圖2(a)所示，為微懸梁紅外熱探測(cè)的MEMS的結(jié)構(gòu)示意圖，硅基材料和金屬鍍膜層構(gòu)成了懸梁的雙層結(jié)構(gòu)。如圖2(b)所示，為圖(2a)的撓曲圖。假設(shè)在環(huán)境溫度為T0時(shí)懸臂梁未發(fā)生熱撓曲，由于兩層的熱膨脹系數(shù)不同，則當(dāng)微懸臂梁在紅外光輻射下溫度由T0升高到(T0+ΔT)時(shí)，懸臂梁將向熱膨脹系數(shù)小的那層彎曲，如圖2(b)所示。
由上述對(duì)懸梁結(jié)構(gòu)的敘述，可以看出懸梁結(jié)構(gòu)不論在靜電驅(qū)動(dòng)還是熱驅(qū)動(dòng)的情況下，都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是不能實(shí)現(xiàn)平動(dòng)。在其它的微機(jī)電結(jié)構(gòu)上也都很難實(shí)現(xiàn)在小驅(qū)動(dòng)力的情況下實(shí)現(xiàn)大范圍的平行移動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的微型系統(tǒng)在小驅(qū)動(dòng)力的情況下實(shí)現(xiàn)大范圍平動(dòng)比較困難的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)電系統(tǒng)，以解決大尺度平動(dòng)的問題，其特征是利用螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐，以微小的電壓提供靜電力驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)大尺度平動(dòng)。其原理在于，采用雙層或多層不同的材料制成雙螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)，利用不同的物質(zhì)具有不同的楊氏模量的特點(diǎn)，結(jié)合材料厚度和材料本身的殘留應(yīng)力使材料形成螺旋彎曲，螺旋彎曲結(jié)構(gòu)在外力的驅(qū)動(dòng)下，結(jié)合逐漸彎曲效應(yīng)，就能夠?qū)е吕煤苄〉牧涂色@得大尺度的平動(dòng)位移。而構(gòu)成螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)的雙層或多層驅(qū)動(dòng)膜片的制造工藝簡(jiǎn)單易行，結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)均可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。另外條形薄板的環(huán)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可以使整個(gè)系統(tǒng)最大限度地壓縮到一個(gè)平面內(nèi)，從而有效地節(jié)約了空間。
如圖3所示，為本發(fā)明內(nèi)容的采用螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)支撐的微機(jī)電系統(tǒng)的示意圖。其中，實(shí)施部件1由螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2固定支撐，而螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2又固定在基底3上，基底3與實(shí)施部件1平行，其中，螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2由能夠?qū)щ姷慕饘倩蚝辖鹬瞥?，?yōu)選為單金屬。實(shí)施部件1一般為平板狀結(jié)構(gòu)，以實(shí)施部件1的軸心線為整個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的中軸線，螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2圍繞中軸線呈軸對(duì)稱狀?；?與螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2之間為非導(dǎo)電連接，并且二者之間可產(chǎn)生電壓。以下描述用于驅(qū)動(dòng)上述微機(jī)電系統(tǒng)的靜電驅(qū)動(dòng)方法及其原理。
如圖4所示，將螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2和基底3分別接兩個(gè)不同的電極，利用靜電力驅(qū)動(dòng)螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2來達(dá)到使其所支撐的實(shí)施部件1沿著中軸線平行移動(dòng)的目的。由于靜電引力僅在電極間隙很小時(shí)驅(qū)動(dòng)力才足夠大，而微驅(qū)動(dòng)單元尺寸小，因此在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中要達(dá)到足夠大的驅(qū)動(dòng)力需要很高的電壓，并且移動(dòng)尺度較小。而在本發(fā)明所提供的微機(jī)電系統(tǒng)中，通過彎曲的螺旋結(jié)構(gòu)解決了這個(gè)問題。如圖4所示，由于螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2(電極之一)的AB段與基底3(接另一電極)之間的間隙很小，從而在螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的AB段和基底3之間產(chǎn)生一個(gè)很大的靜電力，使得螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的AB段向基底3移動(dòng)，從而帶動(dòng)緊埃著的BC段也向基底3移動(dòng)，此時(shí)BC段和基底3之間的間隙也變得很小，使得BC段和基底3之間也產(chǎn)生一個(gè)很大的靜電力，這個(gè)靜電力驅(qū)動(dòng)BC段靠近基底3，從而又帶動(dòng)CD段靠近基底3，依此類推，整個(gè)螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)3都逐漸彎曲并靠近基底3，這樣就帶動(dòng)了實(shí)施部件1沿著中軸線向靠近基底3的方向平行移動(dòng)，這樣的移動(dòng)持續(xù)到靜電驅(qū)動(dòng)力和螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的本身的彈力取得平衡時(shí)停止。在電壓足夠大的情況下，靜電力能夠使整個(gè)螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2貼緊基底，如圖5所示。而恰能使系統(tǒng)達(dá)到這種狀態(tài)時(shí)候的電壓稱為臨界電壓。
如上所述，當(dāng)采用靜電驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)的移動(dòng)范圍取決于螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的彎曲程度和所加靜電驅(qū)動(dòng)力的大小。螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的彎曲程度與螺旋雙環(huán)半徑的變化率以及構(gòu)成螺旋雙環(huán)的兩層或多層不同的金屬膜之間的厚度比、楊式模量比及其在制作過程中的殘余應(yīng)力有關(guān)。
上述的微機(jī)電系統(tǒng)可以用于制作光通信領(lǐng)域光開關(guān)的執(zhí)行部件，也可以用于醫(yī)療等領(lǐng)域等需要光掃描進(jìn)行采集的環(huán)境。該微機(jī)電系統(tǒng)可以用于移動(dòng)平面鏡或透鏡，或者用于驅(qū)動(dòng)等需要大移動(dòng)的環(huán)境。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下，只需要設(shè)置所述的微機(jī)電系統(tǒng)中的實(shí)施部件為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)即可。


圖1是懸梁結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)為微懸梁紅外熱探測(cè)的MEMS的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)為圖2(a)所示結(jié)構(gòu)的撓曲圖；圖3是可平動(dòng)的微機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是利用靜電力驅(qū)動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5表示螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)在靜電力的作用下貼緊基底的示意圖；圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。
如圖6所示，為本發(fā)明提供的微機(jī)電系統(tǒng)，包括用于承載需移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)施部件1，用于支撐實(shí)施部件1的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2和基底3。所述的實(shí)施部件1為直徑100μm的圓盤狀金膜，有很高的反射率，為一個(gè)微反射鏡。所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2是由鋁-鉻雙層金屬膜組成的軸對(duì)稱螺旋雙環(huán)，其中，鉻膜在鋁膜之上，鉻膜厚度為1.0μm，鋁膜的厚度為1.5μm，環(huán)帶的寬度為5μm，螺旋雙環(huán)帶的長度為200μm，螺旋雙環(huán)的起始端分別與基底3連接，頂點(diǎn)端都和實(shí)施部件1連接。所述的基底3由一對(duì)硅連接點(diǎn)(圖中未畫出)、二氧化硅層、硅層和基底電極層組成，其中，硅連接點(diǎn)分別用于連接螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的螺旋環(huán)的一端，使螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2與基底3之間實(shí)現(xiàn)電絕緣連接。二氧化硅層厚度1.0μm，硅層厚度1.0μm，基底電極層為1.5μm的金屬鋁。在本實(shí)施例中，該微機(jī)電系統(tǒng)的臨界電壓為2V，移動(dòng)范圍為30μm，可用作移動(dòng)反射鏡或透鏡。在光通信系統(tǒng)中，可以應(yīng)用于OADM、OXC等設(shè)備上。也可以用于RF MEMS電容式開關(guān)。
以上通過優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明的內(nèi)容。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改，例如，雖然本說明書僅就螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)2的構(gòu)成材料為雙金屬膜的情況進(jìn)行了說明，但是基于同樣的原理，也可以用多層金屬膜代替雙層金屬膜，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的。同樣地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)當(dāng)理解，基底電極層并不限于本發(fā)明實(shí)施例所用的金屬鋁。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)，包括基底、實(shí)施部件和螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)的一端固定在所述的基底上，另一端和所述的實(shí)施部件固定連接，且所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)與基底之間可產(chǎn)生電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱的雙螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的實(shí)施部件為圓形的平板形狀。
4.如權(quán)利要求2或3所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱軸與所述的實(shí)施部件的中心線在同一直線上。
5.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)由雙層或多層不同的金屬組成。
6.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的實(shí)施部件所在的平面與所述的基底所在的平面平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)，包括基底、實(shí)施器和螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)，所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)的一端固定在所述的基底上，另一端和所述的執(zhí)行器固定連接，且所述的螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)與基底之間可產(chǎn)生電壓。其特征是利用螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐，以微小的電壓提供靜電力驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)大尺度平動(dòng)。構(gòu)成螺旋雙環(huán)結(jié)構(gòu)的雙層或多層驅(qū)動(dòng)膜片的制造工藝簡(jiǎn)單易行，結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)均可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。另外條形薄板的環(huán)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可以使整個(gè)系統(tǒng)最大限度地壓縮到一個(gè)平面內(nèi)，從而有效地節(jié)約了空間。
文檔編號(hào)H02N1/00GK1895992SQ20051008312
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月13日
發(fā)明者戴恩光, 曹岱宗 申請(qǐng)人:北京大學(xué)