基于Si塑性变形的二维驱动器的设计

　　0 引言

　　基于 MEMS 技术，静电梳齿驱动器依托 MEMS体 Si 加工技术具有速度快、效率高、可靠性高和控制精准[1]等优点，特别是非平面内静电梳齿驱动器，在光通信和图像显示领域有重要应用，成为近年来研究的热点。形成位错梳齿是非平面内驱动器制作的关键也是难点，现已有不少学者采用正反对准刻蚀法[2]或者残余应力法[3]制作垂直位错梳齿，但是工艺都十分复杂。本文提出一种新型的基于 Si 塑性变形的二维静电梳齿驱动器，驱动器中央的镜面能实现非平面内的垂直驱动以及平面内一个方向的水平驱动。该设计方法也为三维静电梳齿驱动器的设计制作提供了参考。

　　二维静电梳齿驱动器由外围垂直驱动部分和内部水平驱动部分组成，可同时在垂直和水平方向产生驱动位移。垂直驱动部分和水平驱动部分被绝缘填充槽隔开以达到两部分电极隔离、机械相连的目的。二维驱动器的制作工艺上采用普通 Si 片 Si-Si键合技术，与传统的 SOI 片制作方法[4]相比大大降低了制作成本，另外利用 Si 塑性变形原理[5]实现垂直梳齿的位错，大大简化了非平面内垂直位错梳齿制作的工艺流程。

　　1 二维驱动器的设计和研究

　　1. 1 设计原理简述

　　图 1 ( a) 是加电前后非平面内垂直驱动梳齿示意图，图中 L 为梳齿在 y 方向交叠长度，g 为梳齿间隙，V⊥为梳齿间垂直驱动电压。N⊥对这样的梳齿对在垂直方向上产生的静电力 Fe⊥可表示为

　　由式 ( 1) 和 ( 2) 可以看出，垂直驱动力大小与梳齿交叠长度、梳齿间隙、梳齿对个数和垂直驱动电压有关，而与梳齿在垂直方向上的位移无关。水平驱动力大小与梳齿厚度、梳齿间隙、梳齿对个数和水平驱动电压有关，而与梳齿在水平方向上的位移无关。所以，在驱动电压确定的情况下驱动力不随驱动位移改变。

　　1. 2 结构设计

　　本文提出的二维静电梳齿驱动器通过改变驱动电压精确控制中央镜面沿垂直方向和水平方向运动。图 2 是二维驱动器的结构示意图，驱动器外框上制作垂直驱动电极 V⊥、水平驱动电极 V∥、接地电极 GND。驱动器要正常工作，内框上必定同时存在两种电压 V∥和 GND，因此在内框上制作了绝缘填充槽用于隔离这两种电压，其制作方法在后面将作详细介绍。

　　1. 3 器件的理论计算和仿真

　　1. 3. 1 梁的设计

　　弹性梁设计是驱动器设计的重要部分，由于工艺要求驱动器薄膜面积不宜过大，芯片尺寸应尽量减小，所以外部垂直驱动部分采用折叠梁。折叠梁示意图如图 3 所示，每段 x 方向长度为 a，y 方向长度为 b，梁宽 wout，弯折数目 N，梁厚 h。本文中折叠梁的参数定义如下: a = 35 μm，b = 144 μm，wout= 15 μm，N = 24，h = 50 μm。