一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型mems懸掛梁結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，包括襯底、靜電下拉電極、錨區(qū)、懸掛主梁以及兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的彎折支撐梁。所述彎折支撐梁分別與懸掛主梁的兩縱端相連，且由縱梁和橫梁構(gòu)成，其中每組縱梁均采用雙根并列式設(shè)計(jì)；所述懸掛主梁通過(guò)錨區(qū)和彎折支撐梁懸掛在襯底上方。工作中，若懸掛主梁因粘附而無(wú)法從“down”態(tài)順利回復(fù)到“up”態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)彎折支撐梁中的各縱梁組進(jìn)行選擇性通電，使電流流經(jīng)的縱梁受熱產(chǎn)生線性膨脹，這樣連接懸掛主梁兩端的彎折梁將產(chǎn)生大小相同但方向相反的橫向移動(dòng)，形成對(duì)懸掛主梁的偏轉(zhuǎn)作用，該偏轉(zhuǎn)力有助于懸掛主梁克服襯底的粘附而回復(fù)到“up”態(tài)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)械系統(tǒng)(文中簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS)加工和使用過(guò)程中的可靠性處理技術(shù)的領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，涉及一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著MEMS (Micro Electric-Mechanical System)工藝、器件和系統(tǒng)研究的日益成熟，MEMS產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模逐步拓展?？煽啃宰鳛楫a(chǎn)品化進(jìn)程中的關(guān)鍵問(wèn)題受到設(shè)計(jì)者和用戶(hù)的更多關(guān)注。
[0003]MEMS中常用到一些梁、膜或質(zhì)量塊等基本結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的表面積相對(duì)體積而言非常大，并且與襯底的間距很小，只有幾個(gè)微米。在表面力的作用下很容易導(dǎo)致梁或膜變形向襯底彎曲發(fā)生粘附。因此，在微米特征尺度下，表面力(如表面粘附力、摩擦力等)對(duì)器件性能的影響將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，表面粘附常常導(dǎo)致器件徹底失效，使微結(jié)構(gòu)達(dá)到難以分開(kāi)的地步。因此，MEMS微結(jié)構(gòu)在制備時(shí)無(wú)法順利釋放或在使用中因一些意外過(guò)載都可能導(dǎo)致粘附。面對(duì)這樣的問(wèn)題，常規(guī)的MEMS結(jié)構(gòu)難以解決，造成器件無(wú)法工作。為此，本發(fā)明在設(shè)計(jì)中加入解除粘附的考慮，利用選擇性歐姆加熱對(duì)粘附梁形成偏轉(zhuǎn)作用，以幫助微梁脫離襯底而回復(fù)到懸掛狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)改進(jìn)能夠有效地提高M(jìn)EMS器件的利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠利用歐姆加熱在懸掛主梁上產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)力，幫助懸掛主梁克服襯底的粘附，從“down”態(tài)(下拉態(tài))順利地回復(fù)到“up”態(tài)(懸掛態(tài))。同時(shí)本發(fā)明還公開(kāi)了該偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)的具體工作方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便可行。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，包括襯底、位于襯底上的錨區(qū)、懸掛主梁、固定連接在襯底頂面且位于懸掛主梁正下方中部的靜電下拉金屬電極，該結(jié)構(gòu)還包括兩根彎折支撐梁，該彎折支撐梁分別由一根與懸掛主梁末端垂直連接的橫梁和與該橫梁垂直連接的四根縱梁組成，所有縱梁尺寸相同且末端連接在位于懸掛主梁兩側(cè)的錨區(qū)上；所述靜電下拉電極上涂覆有防止懸掛主梁與下拉電極接觸時(shí)發(fā)生短路的介質(zhì)薄層。
[0006]工作中，若懸掛主梁因粘附而無(wú)法從“down”態(tài)順利回復(fù)到“up”態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)彎折支撐梁中的各縱梁組進(jìn)行選擇性通電，使電流流經(jīng)的縱梁受熱膨脹，而無(wú)電流流過(guò)的縱梁則長(zhǎng)度不變。這樣，長(zhǎng)短不同的縱梁組形成對(duì)懸掛主梁的偏轉(zhuǎn)作用。該偏轉(zhuǎn)力有助于懸掛主梁克服襯底的粘附而回復(fù)到“up”態(tài)。本發(fā)明還公開(kāi)了偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)的具體工作方式，方法簡(jiǎn)單、切實(shí)可行。
[0007]上述偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)的工作原理及工作方式如下:
I)工作中，若懸掛主梁因粘附而無(wú)法從“down”態(tài)順利回復(fù)到“up”態(tài)時(shí)，按預(yù)先設(shè)計(jì)對(duì)彎折支撐梁中的各縱梁組進(jìn)行選擇性通電。其中，電流流經(jīng)的縱梁受熱產(chǎn)生線形膨脹，而無(wú)電流流過(guò)的縱梁則長(zhǎng)度不變。
[0008]2)各縱梁一端由錨區(qū)固定，另一端與彎折梁中的橫梁連接，可動(dòng)。因此縱梁受熱向可動(dòng)端延伸。這樣，選擇性通電后，長(zhǎng)度不等的縱梁組使得左右兩端的彎折梁產(chǎn)生大小相同但方向相反的橫向移動(dòng)，使主梁受到偏轉(zhuǎn)力的作用。
[0009]3)主梁上施加的偏轉(zhuǎn)力將減弱主梁與襯底電極之間的粘附，幫助主梁從“down”態(tài)回復(fù)到“up”態(tài)。
[0010]4)懸掛主梁脫離襯底后，斷開(kāi)彎折梁上的電流，恢復(fù)正常狀態(tài)。
[0011]MEMS可動(dòng)梁在加工和使用過(guò)程中常因粘附而發(fā)生意外失效，本發(fā)明從結(jié)構(gòu)改進(jìn)入手，提出一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)。若懸掛主梁因粘附而無(wú)法從“down”態(tài)順利回復(fù)到“up”態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)彎折支撐梁中的各縱梁組進(jìn)行選擇性通電，形成對(duì)懸掛主梁的偏轉(zhuǎn)作用。該偏轉(zhuǎn)力有助于懸掛主梁克服襯底的粘附而回復(fù)到“up”態(tài)。本發(fā)明解除粘附的方法簡(jiǎn)單、方便可行，且對(duì)加工工藝無(wú)額外要求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中襯底頂面示意圖；
圖中有:襯底1、下拉電極2、錨區(qū)31?38、懸掛主梁4、組成彎折支撐梁的縱梁71?74和81?84，以及橫梁5和6。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0014]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述結(jié)構(gòu)包括襯底1、靜電下拉電極2、錨區(qū)31?38、懸掛主梁4以及兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的彎折支撐梁。所述一個(gè)彎折支撐梁由橫梁5和并行排列的縱梁71?74構(gòu)成，另一個(gè)彎折支撐梁由橫梁6和縱梁81?84構(gòu)成，所有縱梁尺寸相同；所述彎折支撐梁中的橫梁5和6分別與懸掛主梁4的兩縱端相連接，懸掛主梁4通過(guò)存在于兩端的錨區(qū)和彎折支撐梁懸掛在襯底I上方；所述襯底I頂面上的靜電下拉電極2涂覆有介質(zhì)薄層，位于懸掛主梁4的正下方中部。
[0015]該懸掛梁結(jié)構(gòu)中的襯底I可以使用單晶硅或砷化鎵等材料。懸掛主梁4和兩端對(duì)稱(chēng)分布的彎折支撐梁材料相同，可以是摻雜的多晶硅或單晶硅，也可以是金屬。下拉電極2為金屬材料(金或鋁)，金屬表面沉積一層薄介質(zhì)層，可以是SiO2或SiN，以防止懸掛梁與下拉電極接觸時(shí)發(fā)生短路。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)采用常規(guī)MEMS加工工藝即可完成。
[0016]上述一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，其偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)的工作方式如下:
I)在制備或工作中，若懸掛主梁4與襯底電極2接觸后，因粘附而無(wú)法從“down”態(tài)順
利回復(fù)到“up”態(tài)時(shí)，可對(duì)彎折支撐梁中的各縱梁組進(jìn)行選擇性通電，如在錨區(qū)31和32之間，以及錨區(qū)37與38之間施加相同大小的電壓(約為10V，具體視縱梁材料參數(shù)和幾何參數(shù)而定)，從而使縱梁71和72以及縱梁83和84均有電流流過(guò)。
[0017]2)彎折梁中的縱梁一端被錨區(qū)固定，另一端與彎折梁中的橫梁連接，可動(dòng)。例如，左側(cè)彎折梁的縱梁71的一端由錨區(qū)31固定，另一端與橫梁5連接，可動(dòng)。同樣，縱梁72、73、74分別與錨區(qū)32、33、34連接，另一端與橫梁5連接。另外，右側(cè)彎折梁的連接狀態(tài)與左側(cè)類(lèi)似。因此，歐姆加熱使縱梁71和72以及縱梁83和84產(chǎn)生線性膨脹，并向著可動(dòng)端伸展。而另外四根縱梁73和74以及縱梁81和82無(wú)電流通過(guò)，仍保持長(zhǎng)度不變。這樣，左右兩端的彎折梁產(chǎn)生大小相同但方向相反的橫向移動(dòng)，使主梁4受到逆時(shí)針?lè)较虻钠D(zhuǎn)作用。
[0018]3)偏轉(zhuǎn)力將減弱主梁4與襯底電極2之間的粘附，幫助主梁4從“down”態(tài)回復(fù)到“up” 態(tài)。
[0019]4)懸掛主梁4脫離襯底后，終止錨區(qū)31和32之間，以及錨區(qū)37與38之間的電壓加載，恢復(fù)正常狀態(tài)。
[0020]注意到，選擇另兩組縱梁通電，可以形成對(duì)主梁4順時(shí)針?lè)较虻钠D(zhuǎn)作用。在實(shí)際操作中，可以采用逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)或順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，也可以逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)和順時(shí)針偏轉(zhuǎn)交替使用。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種偏轉(zhuǎn)式助回復(fù)型MEMS懸掛梁結(jié)構(gòu)，包括襯底(I)、位于襯底上的錨區(qū)、懸掛主梁(4)、固定連接在襯底(I)頂面且位于懸掛主梁(4)正下方中部的靜電下拉金屬電極(2)，其特征在于:還包括兩根彎折支撐梁，該彎折支撐梁分別由一根與懸掛主梁(4)末端垂直連接的橫梁(51、61)和與該橫梁垂直連接的四根縱梁(52、53、54、55、62、63、64、65)組成，所有縱梁尺寸相同且末端連接在位于懸掛主梁(4)兩側(cè)的錨區(qū)(31、32、33、34)上；所述靜電下拉電極(2)上涂覆有防止懸掛主梁與下拉電極接觸時(shí)發(fā)生短路的介質(zhì)薄層。
【文檔編號(hào)】B81B7/02GK103552978SQ201310565071
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】唐潔影, 王磊, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)