CN107986227B - 不等高垂直梳齿器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的不等高垂直梳齿器件，包括外框架、第一扭转结构、第二扭转结构以及梳齿结构，第二扭转结构设置在第一扭转结构与梳齿结构之间，第一扭转结构与第二扭转结构活动性设置在外框架上，第一扭转结构的一侧固定连接在外框架上，另一侧通过限位结构与第二扭转结构连接，第二扭转结构的一侧设有与梳齿结构相对应的梳齿部，梳齿部与梳齿结构之间具有高度差。该不等高垂直梳齿器件通过特殊的梳齿结构、止挡销结构以及扭转结构，在外力作用下，使该器件实现不等高垂直梳齿结构，具有结构简单、稳定的特点，且其制备方法无需上下梳齿的高精度对位、高精度双面对准光刻等复杂工艺，对工艺、设备要求不高，制备成本较低，且工艺稳定性高、易于生产制造。

Description

不等高垂直梳齿器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种不等高垂直梳齿器件及其制备方法，属于微机电器件领域。

背景技术

MEMS不等高垂直梳齿结构中，不等高垂直梳齿由于其具有驱动电压较低、驱动位移较大、可实现离面位移、响应速度快、频率高等优点，常用在MEMS静电微扫描镜、MEMS静电微执行器、MEMS电容式惯性传感器等MEMS器件，特别是被MEMS微扫描镜广泛采用。

然而，其现有制造方法种类较多但都较为复杂，通常要用到多晶硅薄膜沉积、高精度双面对准、硅硅键合、喷胶、复合掩膜蚀刻或是复合薄膜等其中一种或几种MEMS工艺技术，致使其产品加工困难、工艺成熟度较低。

2010年，Hoang Manh Chu等，在文献“Compact Low-VoltageOperationMicromirror Based on High-Vacuum Seal Technology Using Metal Can”中报道了一种不等高垂直梳齿驱动微扫描镜的制造方法。使用SOI片，正面光刻、蚀刻顶硅形成和扭转结构相连的顶层垂直梳齿，双面对准光刻、蚀刻底硅形成背腔和下梳齿结构，最后释放中间氧化层，形成具有不等高垂直梳齿的微扫描镜。该方法将上下梳齿通过双面光刻、蚀刻工艺实现，上下梳齿之间的精准相对位置对双面对准光刻机精度要求非常高，下梳齿结构的蚀刻对深硅蚀刻机工艺能力也有苛刻要求，工艺技术上难以实现，也限制了更高性能的高深宽比梳齿结构的制造。

中国专利CN103086316B“MEMS垂直梳齿微镜面驱动器的制作方法”公开了一种由双层掩膜和硅硅键合工艺实现不等高垂直梳齿结构的制造方法。包括：提供具有双层硅器件层的SOI硅结构；在第一衬底层的表面制作第一划片图形；去除第二衬底层；在第二埋层氧化层上制作双层掩膜；利用双层掩膜，制作出高梳齿结构、低梳齿结构以及微镜面结构；将双抛硅片与SOI硅结构进行硅硅键合；在双抛硅片的表面制作第二划片图形；去除第一衬底层并显露出第一埋层氧化层；以第一埋层氧化层作为掩膜，刻蚀第一硅器件层，释放可动梳齿结构、可动微镜面结构和固定梳齿结构；去除第一埋层氧化层；在微镜面区域和引线区域形成薄膜金属层。该方法通过双层掩膜技术解决了上下梳齿高精度对位的问题，但是引入了硅硅键合以及减薄等工艺。工艺相对复杂、不容易实现且成本高。

中国专利CN104370272B公开了“一种MEMS自对准高低梳齿及其制造方法”，其引入特殊抬升机构与梳齿对依次形成于机械结构层上；特殊抬升结构利用不同材料之间应力使折叠悬臂梁产生抬升，从而产生梳齿对之间的高度差。该方法利用悬臂梁上不同材料间的应力，使悬臂梁抬升，从而带动与悬臂梁相连梳齿结构的抬升，形成不等高上下梳齿对。工艺流程相对简单，也避开了不等高梳齿间高精度对位的问题，但是悬臂梁不同材料间的应力不容易控制，且结构不稳定，随着温度、湿度等环境变化会产生变化。

基于上述情况，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不等高垂直梳齿及其制备方法，该不等高垂直梳齿器件具有结构简单、稳定的特点，其制备方法对工艺、设备要求不高，制备成本较低，且工艺稳定性高、易于生产制造。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种不等高垂直梳齿器件，包括外框架、第一扭转结构、第二扭转结构以及梳齿结构，所述第二扭转结构设置在所述第一扭转结构与梳齿结构之间，所述第一扭转结构与第二扭转结构活动性设置在所述外框架上，所述第一扭转结构的一侧固定连接在所述外框架上，另一侧通过限位结构与所述第二扭转结构连接，所述第二扭转结构的一侧设有与所述梳齿结构相对应的梳齿部，所述梳齿部与所述梳齿结构之间具有高度差。

进一步地，所述不等高垂直梳齿器件还包括第一扭转梁和第二扭转梁，所述第一扭转梁连接所述第一扭转结构和外框架，所述第二扭转梁连接所述第二扭转结构和外框架。

进一步地，所述限位结构为止挡销结构，所述止挡销结构包括设置在所述第一扭转结构上的第一止挡销结构以及设置在所述第二扭转结构上的第二止挡销结构，所述第一止挡销结构包括第一档销和第一插销，所述第二止挡销结构包括与所述第一档销对应的第二插销以及与所述第一插销对应的第二档销。

进一步地，所述第一扭转结构包括第一按压板，所述第一按压板设置在所述第一扭转结构的中间，所述第一止挡销结构设置在所述第一按压板的两侧。

进一步地，所述第二扭转结构包括第二按压板，所述第二按压板设置在所述第二扭转结构的中间，所述第二止挡销结构设置在所述第二按压板的两侧。

进一步地，所述第二扭转梁设置在所述第二止档销结构和梳齿部之间，以方便该器件扭转。

进一步地，所述梳齿结构包括第一梳齿和梳齿框架，所述第一梳齿设置在所述梳齿框架上，所述梳齿部包括第二梳齿，所述第一梳齿与第二梳齿之间具有高度差。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制备所述不等高垂直梳齿器件的方法，包括以下步骤：

S1、对SOI硅片进行清洗和预处理；

S2、在所述SOI硅片的顶硅层涂光刻胶进行光刻，刻蚀得到梳齿结构层；

S3、再在所述SOI硅片的基底层涂光刻胶进行光刻，刻蚀出背腔，最后腐蚀氧化层并将顶硅层释放，制备得到垂直梳齿器件；

S4、在所述垂直梳齿器件上的按压板处施加外力作用，得到所述不等高垂直梳齿器件。

进一步地，步骤S3中，在所述光刻过程中，刻蚀至氧化层，以使所述背腔暴露所述氧化层，从而便于后续氧化层的除去。

本发明的有益效果在于：本发明的不等高垂直梳齿器件通过特殊的梳齿结构、止挡销结构以及扭转结构，在外力作用下，使该器件实现不等高垂直梳齿结构。故，该不等高垂直梳齿器件具有结构简单、稳定的特点，且其制备方法无需上下梳齿的对位工艺、高精度双面对准光刻工艺、硅硅键合工艺、减薄工艺，同时，避免了应力薄膜的沉积，因此，本发明的制备方法对工艺、设备要求不高，制备成本较低，且工艺稳定性高、易于生产制造。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的不等高垂直梳齿器件的结构示意图；

图2为图1所示的不等高垂直梳齿器件的止挡销结构的示意图；

图3为图1所示的不等高垂直梳齿器件在未形成不等高垂直梳齿时的结构示意图；

图4为本发明所示的不等高垂直梳齿器件的制备方法的流程步骤图；

图5a至图5d为图4所示制备方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1至图3，本发明一实施例所示的不等高垂直梳齿器件包括外框架1、第一扭转结构2、第二扭转结构3以及梳齿结构4。所述第二扭转结构3设置在所述第一扭转结构2与梳齿结构4之间，所述第一扭转结构2与第二扭转结构3分别通过第一扭转梁11和第二扭转梁12活动性设置在所述外框架1上，所述梳齿结构4与所述第二扭转结构3的可活动结构连接。所述第一扭转结构2的一侧固定连接在所述外框架1上，另一侧通过限位结构5与所述第二扭转结构3连接，所述第二扭转结构3的一侧设有与所述梳齿结构4相对应的梳齿部31，所述梳齿部31与所述梳齿结构4之间具有高度差。

在本实施例中，所述限位结构5为止挡销结构，诚然，在其他实施例中，该限位结构5还可为其他结构。所述止挡销结构5包括设置在所述第一扭转结构2上的第一止挡销结构51以及设置在所述第二扭转结构3上的第二止挡销结构52，所述第一止挡销结构51包括第一档销511和第一插销512，所述第二止挡销结构52包括与所述第一档销511对应的第二插销521以及与所述第一插销512对应的第二档销522。所述第二扭转梁12设置在所述第二止档销结构52和梳齿部31之间，以方便该器件扭转。

在本实施例中，所述第一扭转结构2包括第一按压板21，所述第一按压板21设置在所述第一扭转结构2的中间，所述第一止挡销结构51设置在所述第一按压板21的两侧。所述第二扭转结构3包括第二按压板32，所述第二按压板32设置在所述第二扭转结构3的中间，所述第二止挡销结构52设置在所述第二按压板32的两侧。

在本实施例中，所述梳齿结构4包括第一梳齿41和梳齿框架42，所述第一梳齿41设置在所述梳齿框架42上，所述梳齿部31包括第二梳齿311，所述第一梳齿41与第二梳齿311之间具有高度差，两者在电压驱动下会做相对位移，从而使与所述梳齿结构4相连接的可活动结构产生扭转或离面位移。

本发明所示的结构在形成具有高度差的梳齿之前呈平面状，通过外力同时作用在第一按压板21和第二按压板32的相邻端，使两者同时向作用力的方向移动，当第一按压板21和第二按压板32移动到一定距离时，第一档销511或第二档销522从第二插销521或第一插销512中脱出，随后撤掉作用力，此时，第一扭转梁11和第二扭转梁12提供恢复力，进而使第一插销512或第二插销521止挡在第二档销522或第一档销511上，导致梳齿部31绕第二扭转梁12翘起，从而使第二梳齿311与第一梳齿41形成高度差。

请参见图4和图5a至图5d，制备本发明所示的不等高垂直梳齿器件包括以下步骤：

S1、对SOI硅片进行清洗和预处理；

S2、在所述SOI硅片的顶硅层涂光刻胶进行光刻，刻蚀得到梳齿结构层；

S3、再在所述SOI硅片的基底层涂光刻胶进行光刻，刻蚀至氧化层，形成背腔，最后腐蚀氧化层并将顶硅层释放，制备得到垂直梳齿器件；

S4、在所述垂直梳齿器件上的按压板处施加外力作用，得到所述不等高垂直梳齿器件。

综上所述：本发明的不等高垂直梳齿器件通过特殊的梳齿结构、止挡销结构以及扭转结构，在外力作用下，使该器件实现不等高垂直梳齿结构。故，该不等高垂直梳齿器件在结构上，无需多种材料符合，具有简单稳定的特点，且其制备方法无需上下梳齿的对位工艺、高精度双面对准光刻工艺、硅硅键合工艺、减薄工艺，同时，避免了应力薄膜的沉积，因此，本发明的制备方法对工艺、设备要求不高，制备成本较低，且工艺成熟、稳定性高、易于生产制造。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种不等高垂直梳齿器件，其特征在于，包括外框架、第一扭转结构、第二扭转结构以及梳齿结构，所述第二扭转结构设置在所述第一扭转结构与梳齿结构之间，所述第一扭转结构与第二扭转结构活动性设置在所述外框架上，所述第一扭转结构的一侧固定连接在所述外框架上，另一侧通过限位结构与所述第二扭转结构连接，所述第二扭转结构的一侧设有与所述梳齿结构相对应的梳齿部，所述梳齿部与所述梳齿结构之间具有高度差；

所述不等高垂直梳齿器件还包括第一扭转梁和第二扭转梁，所述第一扭转梁连接所述第一扭转结构和外框架，所述第二扭转梁连接所述第二扭转结构和外框架；

所述限位结构为止挡销结构，所述止挡销结构包括设置在所述第一扭转结构上的第一止挡销结构以及设置在所述第二扭转结构上的第二止挡销结构，所述第一止挡销结构包括第一档销和第一插销，所述第二止挡销结构包括与所述第一档销对应的第二插销以及与所述第一插销对应的第二档销；

所述第二扭转梁设置在所述第二止挡销结构和梳齿部之间。

2.如权利要求1所述的不等高垂直梳齿器件，其特征在于，所述第一扭转结构包括第一按压板，所述第一按压板设置在所述第一扭转结构的中间，所述第一止挡销结构设置在所述第一按压板的两侧。

3.如权利要求2所述的不等高垂直梳齿器件，其特征在于，所述第二扭转结构包括第二按压板，所述第二按压板设置在所述第二扭转结构的中间，所述第二止挡销结构设置在所述第二按压板的两侧。

4.如权利要求1所述的不等高垂直梳齿器件，其特征在于，所述梳齿结构包括第一梳齿和梳齿框架，所述第一梳齿设置在所述梳齿框架上，所述梳齿部包括第二梳齿，所述第一梳齿与第二梳齿之间具有高度差。

5.一种制备如权利要求1至4中任一项所述的不等高垂直梳齿器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对SOI硅片进行清洗和预处理；

S2、在所述SOI硅片的顶硅层涂光刻胶进行光刻，刻蚀得到梳齿结构层；

S3、再在所述SOI硅片的基底层涂光刻胶进行光刻，刻蚀出背腔，最后腐蚀氧化层并将顶硅层释放，制备得到垂直梳齿器件；

S4、在所述垂直梳齿器件上的按压板处施加外力作用，得到所述不等高垂直梳齿器件。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在所述光刻过程中，刻蚀至氧化层，以使所述背腔暴露所述氧化层。