MEMS微驅動器及其製作方法與流程

2024-03-04 19:11:15

本發明涉及微機電領域，尤其涉及一種mems微驅動器及其製作方法。

背景技術：

射頻(rf)開關是一種可以實現微波射頻信號連接和斷開的電子器件，可廣泛應用在無線通訊、雷達探測、精密測試儀器等。自20世紀90年代以來，基於微機電系統(micro-electro-mechanicalsystem，mems)技術的射頻開關因其插損低、隔離度高、功耗和互調產物低(線性度高)等優點，獲得了普遍關注，被認為是最有應用前景的mems器件之一。

現有mems射頻開關所存在的主要問題是，開關速度慢、功率處理能力低和驅動電壓大等，因而導致其至今未得到廣泛應用。隨著近年無線通訊技術的蓬勃發展，尤其是大規模無線網絡和國防相控陣雷達技術的通訊需要，高速大功率mems射頻開關成為未來重要的研究發展方向。

對於高速大功率mems射頻開關，最佳的方法是：在適當的電極間距和條件下，提高有效彈性係數以增加功率處理能力，同時儘可能在較低驅動電壓下產生較大驅動力以提高開關速度。因此，開發一種大功率低驅動電壓的微驅動器成為亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題之一是需要提供一種可用於大功率電信號處理的快速響應、低驅動電壓微驅動器。

為了解決上述技術問題，本申請的實施例首先提供了一種mems微驅動器，包括襯底；形成於所述襯底上的相互並聯連接的第一傳輸部與第二傳輸部，其配置為同時接收並傳輸射頻信號；形成於由所述第一傳輸部與第二傳輸部圍成的區域內的支撐層；形成於所述支撐層上表面的下電極，其與驅動信號相連接；形成於所述下電極上表面的驅動介質層；形成於所述驅動介質層上表面的上電極，其與接地信號相連接；以及形成於所述上電極上的第一開關觸點與第二開關觸點；其中，所述驅動介質層被配置為：在由所述驅動信號與所述接地信號產生的電場的作用下發生彈性形變，以使得所述第一開關觸點和第二開關觸點分別與所述第一傳輸部和第二傳輸部相接觸，從而停止所述射頻信號的傳輸。

優選地，所述上電極包括固定區域、對應於所述第一開關觸點的第一觸點區域以及對應於所述第二開關觸點的第二觸點區域；其中，所述上電極位於所述第一觸點區域的部分與位於所述第二觸點區域的部分分別延伸至所述第一傳輸部與第二傳輸部的上方；所述上電極位於所述固定區域的部分與所述驅動介質層的上表面固定連接。

優選地，所述第一開關觸點與所述第二開關觸點對稱設置。

優選地，所述上電極包括構成t字型的橫向電極和縱向電極，所述第一觸點區域與第二觸點區域分別位於所述橫向電極的兩端。

優選地，所述驅動介質層、所述下電極以及所述支撐層具有與所述上電極的固定區域相對應的t字型圖案。

優選地，所述第一傳輸部與所述第二傳輸部相互對稱設置。

優選地，所述驅動介質層為反鐵電薄膜。

優選地，在所述驅動介質層與所述上電極之間還設置有粘附層。

優選地，所述反鐵電薄膜的厚度為0.5-5μm。

本申請的實施例還提供了一種mems微驅動器的製作方法，包括在襯底的上表面上形成第一薄膜材料層；在所述第一薄膜材料層上形成反鐵電膜層；圖案化所述第一薄膜材料層與所述反鐵電膜層，以形成t字型下電極與t字型反鐵電梁；在所述襯底與所述反鐵電梁上形成並圖案化第二薄膜材料層，以形成第一傳輸部、第二傳輸部與t字型上電極；在所述襯底的上表面上形成支撐層以及設定深度的窗口區域；在所述t字型上電極上形成分別延伸至所述第一傳輸部與第二傳輸部的上方的第一觸點區域與第二觸點區域；在所述襯底的下表面形成對應於所述窗口區域的鏤空區域。

與現有技術相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優點或有益效果：

本發明實施例的的mems微驅動器，以並聯的傳輸部對射頻信號進行傳導，同時採用t字型懸臂梁結構，利用反鐵電薄膜驅動微驅動器的開關動作，既有利於改善微驅動器內各傳輸線的電流密度分布，有效提高微驅動器的功率處理能力，又能夠提高微驅動器的開關速度及抗環境幹擾的能力，且具有更長的工作壽命。

本發明的其他優點、目標，和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本申請的技術方案或現有技術的進一步理解，並且構成說明書的一部分。其中，表達本申請實施例的附圖與本申請的實施例一起用於解釋本申請的技術方案，但並不構成對本申請技術方案的限制。

圖1為根據本發明實施例的mems微驅動器的結構示意圖；

圖2為圖1所示mems微驅動器的俯視圖；

圖3為根據本發明實施例的t字型懸臂梁的示意圖；

圖4為對圖3所示懸臂梁的下半部分進行面外位移仿真的示意圖；

圖5為對現有技術中的靜電驅動的橋式mems驅動器的電流密度分布進行仿真的示意圖；

圖6為對本發明實施例的mems微驅動器的電流密度矢量分布進行有限元仿真的示意圖；

圖7為反鐵電薄膜的電滯回線和電致應變曲線的示意圖；

圖8為根據本發明另一實施例的mems微驅動器的製作方法的流程圖；

圖9a-圖9g為根據本發明另一實施例的mems微驅動器的製作方法的示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成相應技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。本申請實施例以及實施例中的各個特徵，在不相衝突前提下可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。

圖1為根據本發明實施例的mems微驅動器的結構示意圖，圖2為圖1所示mems微驅動器的俯視圖，下面結合圖1和圖2對mems微驅動器的結構進行說明。

如圖1所示，在襯底10上設置有相互並聯連接的第一傳輸部111與第二傳輸部112。其中，第一傳輸部111的兩端與第二傳輸部112的兩端分別連接，從傳輸線11上接收射頻信號，在該mems微驅動器工作的常態，接收到的射頻信號可以經由第一傳輸部111與第二傳輸部112同時進行傳輸。

為了使射頻開關關閉時並聯的第一傳輸部111與第二傳輸部112的關閉觸點與傳輸線11端形成相同的電勢，一般的，使第一傳輸部111與第二傳輸部112相互對稱設置，這樣可以保證傳輸線11端的電流各有二分之一從兩個關閉觸點分別流入，減小了每個觸點的功率負載，相當於將大功率信號分成了兩個小功率信號來處理。在本發明的一個實施例中，將第一傳輸部111與第二傳輸部112相互平行設置。

由第一傳輸部111與第二傳輸部112圍成一個區域，該區域中部具有鏤空部分，如圖2所示，20表示鏤空部分，在鏤空部分的周圍，由傾斜線填充的區域為襯底10。在上述由第一傳輸部111與第二傳輸部112所圍成的區域內設置有支撐層15。支撐層15由襯底刻蝕形成，如圖2所示，在支撐層的左邊，由123所示出的區域表示固定的連接端。進一步從圖2中還可以看出，支撐層15的其餘部分懸空在鏤空部分20的上方，形成懸臂梁結構。

在支撐層15的上表面上設置有下電極14，下電極14為驅動電極，與相應的驅動信號相連接。驅動信號一般為直流信號，也可以利用直流信號與交流信號的組合信號對微驅動器進行驅動。

下電極14採用金屬材料製作，常用的材料如鉑pt，銥ir，金au等。下電極14也可以為氧化物電極，例如lanio3電極、srruo3電極等。本發明實施例中對下電極的材料不做限定。

在下電極14的上表面設置有驅動介質層13，在驅動介質層13的上表面上還設置有上電極12。如圖2所示，上電極12進一步劃分為第一觸點區域21、第二觸點區域22以及固定區域23。其中，第一觸點區域21內對應設置有第一開關觸點121(如圖1所示)，第二觸點區域22內對應設置有第二開關觸點122(如圖1所示)。

第一開關觸點121與第二開關觸點122一般對稱設置，這樣與對稱設置的第一傳輸部111與第二傳輸部112相配合，能夠實現對射頻信號的同步開關動作，保證由一個大功率射頻信號分成的兩個小功率射頻信號的同步處理。

進一步結合圖1和圖2可以看出，上電極12位於其第一觸點區域21內的部分與位於其第二觸點區域22內的部分分別延伸至第一傳輸部111與第二傳輸部112的上方。而上電極12位於其固定區域23的部分與驅動介質層13的上表面固定連接。

上電極12與接地信號相連接，其接地引線的焊點設置在區域123內(如圖2所示)。這樣在上電極12與下電極14之間形成有電場，驅動介質層13處於上述電場中。驅動介質層13一般為非柔性陶瓷薄膜，可以在外力的作用下發生彈性形變。因此，驅動介質層13在電場力的作用下發生彈性形變，進而帶動與其固定連接的上電極12向下運動，進而帶動整個懸臂梁結構向下運動，使得第一開關觸點121和第二開關觸點122分別與第一傳輸部111和第二傳輸部112相接觸。由於上電極與接地信號相連接，因此，傳輸線11中的射頻信號導入接地端。即射頻信號的傳輸路徑傳輸線11被截斷，微驅動器處於斷開狀態。

上電極12可以採用與下電極14相同的金屬材料，例如鉑pt，銥ir，金au等，也可以為氧化物電極，例如lanio3電極、srruo3電極等。

在本發明的實施例中，由於設置有並聯的第一傳輸部111與第二傳輸部112，因此可以對較大的射頻電流進行分流，進而實現大功率設計。

在本發明的一個實施例中，上電極12採用t字型電極。如圖1所示，該t字型的上電極12包括橫向電極和縱向電極，橫向電極的兩端為相互對稱的自由端，以該相互對稱的自由端分別作為第一開關觸點121與第二開關觸點122。

在本發明的一個實施例中，將驅動介質層13、下電極14以及支撐層15也設置為對應的t字型圖案。如圖1所示。

本實施例中的t字型上電極採用完全對稱的結構，可以實現對兩側開關的同步控制。並且單側l形結構相當於增加了普通直懸臂梁長度，可增加觸點面外位移，這為適當提高開關觸點與傳輸線的間距以增加功率處理能力和隔離度提供了設計空間。

圖3為由上電極12所形成的t字型懸臂梁的示意圖，圖4為對圖3所示懸臂梁的下半部分進行面外位移仿真的示意圖，如圖4所示，假設本實施例中上電極的縱向電極的長度為500μm，其與同樣長度的長直梁相比，增加的向下拐的梁也會產生位移，當向下拐的梁的長度也為500μm時，理論上此t字型梁應等效於直的1000μm長的直梁，相當於增加了500μm長直梁的長度。

另外，傳統橋式開關閉合時的電流密度分布不均勻，射頻信號進入一側電流密度高度集中，功率處理能力嚴重依賴該側導體厚度。t字型結構則有效利用了上電極導體的整體面積，改善了電流密度分布，可有效提高功率處理能力。

圖5為對現有技術中的靜電驅動的橋式mems驅動器的電流密度分布進行有限元仿真的示意圖，圖6為對本發明實施例的mems微驅動器的電流密度矢量分布進行有限元仿真的示意圖。

如圖5所示，靜電驅動的橋式mems驅動器的中間為傳輸線，開關為上下跨躍的橋形結構，上下兩端固定支撐，中間懸空。關閉時中間部分接觸到橋形梁下中間穿過的傳輸線，則射頻信號電流被開關引入接地。從圖中可以看出，開關閉合時，左側靠近傳輸線流入端的一邊電流密度最大，近傳輸線流出端電流密度最小，說明引走的電流主要是從左側邊緣流入接地的，這樣整個開關的電流密度分布不均勻。電流密度絕大部分集中在左側邊緣容易產生大的損耗和熱量，長時間不利於射頻開關的整體可靠性和穩定性。

如圖6所示，在本發明的實施例中，電流從兩條傳輸線分別進入t字型梁的橫向電極部分，最後匯入縱向電極部分再從固定端流出，整體電流分布比較均勻，有效利用了整個電極平面，而沒有單側邊緣集中現象，因此電阻較小，開關特性好，也不會產生大的損耗和發熱。

在本發明的另一個實施例中，驅動介質層13採用反鐵電薄膜製作。反鐵電薄膜是一種具有電致應變效應的功能材料，它在一定溫度範圍內，相鄰離子聯線上的偶極子呈反平行排列，宏觀自發極化強度為零，在外電場誘導下，反鐵電相將向鐵電相轉變引起非線性突變應變。

如圖7所示，與壓電薄膜不同，反鐵電薄膜驅動開關具有兩個穩定的應變狀態，零電壓時無剩餘應變。因此，反鐵電薄膜應變重複性和可靠性更好，兩個穩定之間的非線性應變速度快，並且抗幹擾能力更強，即在驅動電路中即使存在少量幹擾電壓信號，穩態應變仍可保持良好。

利用反鐵電材料的上述特性製作的反鐵電薄膜可以為mems微驅動器提供高速大應變。mems微驅動器的整個結構為多層薄膜結構，上電極、觸點層和傳輸線的厚度一般1～10μm，反鐵電薄膜介質層的厚度一般為0.5～5μm，下電極的厚度一般為0.1～1μm，支撐層厚度(一般選用si製作)一般為1～20μm，各膜層的整體厚度控制在3-36μm的範圍內。除反鐵電薄膜外，所有薄膜層均採用半導體鍍膜技術製作，層間結合力很強，層間無相對滑動位移。

一般的，反鐵電陶瓷的最大應變可達0.87％，而pzt弛豫型鐵電陶瓷逆壓電效應引起的應變則在0.1％左右，即使是反鐵電薄膜，也很容易達到0.3％-0.5％的應變，因此，採用反鐵電材料製作的驅動介質層可為微驅動器提供大應變。

一般壓電材料所製作的薄膜的應變與驅動電壓呈線性關係，應變隨電壓具有緩慢連續變化的特點。而反鐵電薄膜的應變與驅動電壓則在相變階段呈非線性突變特徵，該過程時間非常短，即具有快速反應的特性。因此，本實施例中所採用的反鐵電材料製作的驅動介質層可以提高微驅動器的開關速度。

同時，由於反鐵電材料彈性模量較大，因此，採用反鐵電材料製作的驅動介質可以使得mems微驅動器的有效彈性係數更大，產生的驅動力也高，有利於提高開關速度、射頻功率處理能力和抗環境振動幹擾能力。

另外，反鐵電薄膜相變過程屬於180°疇極化翻轉，比鐵電型壓電薄膜的90°疇極化翻轉產生的內應力小，因此反鐵電薄膜內部產生的缺陷和微裂紋也少得多，從而疲勞性好，具有更長的工作壽命。

在本發明的其他實施例中，在驅動介質層13與上電極12之間還設置有粘附層,(圖1中未示出)，粘附層用於增加上電極12與驅動介質層13之間的結合力。粘附層一般可以採用金屬鈦ti或金屬鉻cr來製作，一般厚度約為20-50nm。

本發明實施例的的mems微驅動器，以並聯的傳輸部對射頻信號進行傳導，同時採用t字型懸臂梁結構，利用反鐵電薄膜驅動微驅動器的開關動作，既有利於改善微驅動器內各傳輸線的電流密度分布，有效提高微驅動器的功率處理能力，同時提高了微驅動器的開關速度及抗環境幹擾的能力，且具有更長的工作壽命。

下面將結合圖8和圖9a-圖9g進一步說明mems微驅動器的製作方法，需要注意的是，為更加清晰地說明本發明實施例，圖9a-圖9g中各給出兩個圖形，位於左側的圖形為位於右側的圖形的俯視圖(圖9g為從襯底下表面看上去的俯視圖)，其中，左側圖形上的虛線表示的是右側圖形的截面的位置。

如圖8所示，該製作方法包括以下步驟：

步驟s810、在襯底的上表面上形成第一薄膜材料層。

該第一薄膜材料層用於製作下電極，可以採用如鉑pt，銥ir，金au等。下電極14也可以為氧化物電極，例如lanio3電極、srruo3電極等。

步驟s820、在第一薄膜材料層上形成反鐵電膜層。

在一個具體的實施例中，可以採用溶膠-凝膠法製備反鐵電膜層。一般應保證反鐵電膜層的厚度大於1μm。

步驟s830、圖案化第一薄膜材料層與反鐵電膜層，以形成t字型下電極與t字型反鐵電梁。

在一個具體的實施例中，可以採用薄膜刻蝕技術對反鐵電薄膜以及第一薄膜材料層進行圖形化刻蝕。如圖9a所示，在該實施例中，第一薄膜材料層採用的是lanio3，襯底(基片)的材料為si，si基片的厚度約為300-500μm。

步驟s840、在襯底與反鐵電梁上形成並圖案化第二薄膜材料層，以形成第一傳輸部、第二傳輸部與t字型上電極。

在一個具體的實施例中，運用濺射和光刻結合的剝離工藝在si基片表面製作並聯圖形和t字型上電極。第二薄膜材料層用於製作上電極和傳輸線，與第一薄膜材料層類似，可以採用如鉑pt，銥ir，金au等。上電極也可以為氧化物電極，例如lanio3電極、srruo3電極等。

如圖9b所示，第二薄膜材料層的材料為au，形成的並聯的au傳輸線圍繞在t字型梁的外圍，t子型上電極與傳輸線同步圖案化形成。

步驟s850、在襯底的上表面上形成支撐層以及設定深度的窗口區域。

在一個具體的實施例中，利用光刻工藝，在si基片的上表面上形成鏤空區域的窗口，然後採用深矽幹法刻蝕技術刻蝕si，刻蝕深度即為t字型懸臂梁si支撐層的厚度，如圖9c所示。

步驟s860、在t字型上電極上形成分別延伸至第一傳輸部與第二傳輸部的上方的第一觸點區域與第二觸點區域。

在形成第一觸點區域與第二觸點區域的步驟中還進一步包括：

步驟s861、在襯底上形成一層犧牲層薄膜。

步驟s862、圖案化犧牲層薄膜。

步驟s863、在圖案化後的犧牲層薄膜上方對應於設定的觸點區域內，分別形成第一觸點區域與第二觸點區域。

步驟s864、去除犧牲層薄膜。

具體的，首先在整個襯底si基片上製作一層無機或有機犧牲層薄膜，再利用光刻和薄膜刻蝕技術在兩個傳輸線的觸點區域形成圖案化的犧牲層薄膜，如圖9d所示。

然後，運用光刻工藝在兩個傳輸線的觸點區域形成觸點電極圖形，再利用電鍍工藝在觸點區域製作出au薄膜，如圖9e所示。

最後，經過薄膜刻蝕技術去除犧牲層釋放au觸點懸浮電極，如圖9f所示。

步驟s870、在襯底的下表面形成對應於窗口區域的鏤空區域。

在一個具體的實施例中，利用光刻工藝，在si基片背面形成鏤空區域的刻蝕窗口，運用深矽幹法刻蝕技術刻蝕si基片背面窗口並與正面深槽穿通完成懸浮結構釋放，最終形成t字型微驅動器結構，如圖9g所示。

雖然本發明所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。