基于硅塑性变形的蛇形梁垂直梳齿驱动器

　　0　引　言

　　MEMS器件非常适合应用于光学领域,一些技术成熟的器件诸如数字微镜器件、光开关、可调光衰减器等已经在商品化的投影显示、光通信设备中得到 重要应用。基于MEMS的光学器件大都需要驱动器结构,例如:数字微镜器件需要扭转微镜结构,可调谐光器件需要垂直平动结构,因此,制作驱动器结构成为 MEMS器件的工作重点[1],而静电梳齿驱动器具有大驱动距离、稳定可靠、设计灵活等优点。静电驱动器被广泛应用于MEMS器件中。

　　静电梳齿驱动器常用于实现平面内的横向驱动,但是,实现非平面内的纵向驱动比较困难。国外很多学者采用正反对准,多次选择性刻蚀获得纵向有一定 错位的可动梳齿和固定梳齿[2],从而实现纵向驱动,但是,它很难实现可动梳齿和固定梳齿之间的精确对准,造成侧向的驱动力比垂直方向驱动力还要大,无法 实现垂直平动。此外还需要经过多次干法刻蚀、淀积等工艺,工艺复杂,成本高,不实用。

　　本文研究采用硅—硅键合技术,利用塑性变形的原理制作自对准垂直位错梳齿驱动器。该方法解决了可动梳齿与非可动梳齿之间间隙的精确对准,驱动距离大,工艺简单,设计灵活,同时可结合制作扭转驱动器。

　　1　静电垂直驱动的工作原理

　　图1(a)显示了非对称固定梳齿和可动梳齿的电场力[3]。γz是垂直驱动力的比例常数。由式(1)看出:驱动力受到平衡高度z的限制,而且随 着可动梳齿的位置的上移,z0-z变小,驱动力线性的减小,所以,这种结构很难得到很大的驱动距离。而垂直位错梳齿的电场力如图1(b),梳齿间的交叠长 度为L,梳齿间的间隙为g,梳齿间的电压为V,梳齿对的个数为n,在垂直方向上的静电力可表示为[4]：

　　不像上一种结构,这种结构的静电力并不是垂直方向驱动距离的函数,因此,可以得到很大的驱动范围,并且可以有多种设计参数,比如改变梳齿间隙,梳齿对个数及长度。本论文将采用这种梳齿结构作为静电梳齿驱动结构。

　　2　传统的塑性变形制作垂直位错梳齿驱动器

　　2.1　传统的制作垂直位错梳齿驱动器的缺陷

　　传统的制作垂直位错梳齿驱动器的方法有2种: 1)正反对准刻蚀,硅—玻璃键合制作垂直位错梳齿驱动器[2]; 2)利用残余应力制作垂直位错梳齿驱动器[5]。正反对准刻蚀,硅—玻璃键合制作垂直位错梳齿:为了制作不同高度的可动梳齿和固定梳齿,在硅片上制作2个 掩模层(Si3N4和SiO2),经过多次的正面和背面的深反应等离子刻蚀(DRIE)之后,硅片与衬底键合,然后释放结构。由于多次的正反对准光刻和 DRIE产生的对准误差,梳齿间隙不能制作得很小。当梳齿间隙较小时,可能由于光刻对准精度的原因造成可动梳齿与相邻的固定梳齿之间间隙不等,从而使侧向 的驱动力比垂直方向驱动力还要大,无法实现垂直平动,因而,梳齿驱动力受到限制。而利用残余应力制作垂直错位梳齿驱动器,将固定齿制作在一个由不同热膨胀 系数组成的复合悬臂上。当悬臂从氧化温度降到常温时,其残余应力将使悬臂弯曲,连接其上的固定梳齿将低于可动梳齿平面,得到垂直错位的梳齿结构[5]。由 于悬臂弯曲,因此,可动齿与固定齿之间的错位量不一致,限制了驱动范围。