一种MEMS结构及其制作方法与流程

本发明属于微机械系统（MEMS）领域，涉及一种MEMS结构及其制作方法。

背景技术：
微机电系统（MEMS）技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。本发明中提到的可控变形部件，可以是一种Bimorph结构。这种结构已被应用到多个领域，文章“Developmentandapplicationsofhighfill-factor，smallfootprintmemsmicromirrorsandmicromirrorarrays”（文章为UniversityofFlorida的KemiaoJia博士论文．2009）中描述了多种Bimorph结构热驱动器的应用。但Bimorph结构热驱动器存在一个缺点是不能够长期的保持某个状态，从而不能够保证被热驱动器悬挂的部件位置一点都不变；针对某些特殊应用需要将被悬挂部件保持在某个位置永远不变，本发明即可解决该难题。例如：在微光学器件装配过程中，经常会遇到一些光路的对准和微小光学元件的精确安装，目前只是依靠精密的机械结构来进行调整，但精密机械结构价格昂贵，但又不能很有效的解决微光学器件装配中存在的问题。本发明可以很有效的解决该技术难题。目前市场上MEMSswitch、MEMSVOA主要以静电高低梳齿作为驱动器，在制作工艺上均是由2片wafer通过键合技术粘接在一起，从而实现高低梳齿驱动器。存在的缺点是对工艺能力要求非常高，在键合过程中如果键合对位有一点偏差即会影响整个产品的成品率。

技术实现要素：
本申请所要解决的技术问题是：针对上述技术问题，提供一种MEMS结构及其制作方法，将具有可控变形部件的MEMS结构，通过可控变形部件带动被悬挂部件抬升，再被粘接剂固定。一种MEMS结构，包括衬底、可控变形部件、被悬挂部件，其中，被悬挂部件通过至少一个可控变形部件与衬底连接，还包括设置在所述被悬挂部件上的第一连接部及设置在所述衬底上的第二连接部，所述可控变形部件为两种或两种以上不同膨胀系数材料叠放而成的结构；通过对整个MEMS结构加热或制冷来控制可控变形部件的变形，从而改变被悬挂部件的悬挂高度或角度；被悬挂部件的悬挂高度或角度达到设定要求后，通过粘结材料将被悬挂部件上第一连接部与衬底上的第二连接部连接固定。进一步的，所述被悬挂部件为镜面结构、梳齿结构或质量块结构中的一种。进一步的，所述可控变形部件为两个，两个所述可控变形部件对称设置在所述被悬挂部件的两侧。进一步的，所述衬底材料为单晶硅、多晶硅、碳化硅或玻璃材料。本发明还公开了一种所述MEMS结构的制作方法，包括以下几个步骤：步骤一、所述可控变形部件为两种或两种以上不同膨胀系数材料叠放而成的结构；通过外整个MEMS结构加热或制冷来控制可控变形部件的变形，从而改变被悬挂部件的悬挂高度或角度；步骤二、当步骤一中被悬挂部件的悬挂高度或角度达到设定要求后，通过粘结材料将被悬挂部件上第一连接部与衬底上的第二连接部连接固定。进一步的，所述粘结材料为高分子胶、无机胶、银浆、金属薄膜、非金属薄膜中的任意一种。进一步的，通过点胶、喷胶、薄膜生长工艺或者丝网印刷工艺对第一连接部和第二连接部部位进行粘接固定。进一步的，所述可控变形部件上内嵌有电阻加热层，所述衬底上连接有电引线，所述电阻加热层与所述电引线连接；通过对加热引线进行通电，实现对可控变形部件进行微调。进一步的，所述被悬挂部件上设有磁性材料层或线圈形状的金属薄膜层，所述衬底的底部设有磁性驱动器；通过磁性驱动器实现被悬挂部件的高度的辅助调节。本发明的有益效果：第一、本发明在制作工艺上明显优于传统的高低梳齿工艺，并且对工艺能力要求低，成品率高。第二、本发明利用可控变形部件MEMS结构与粘接材料相结合，来固定MEMS可动结构。在MEMS领域装配工艺过程中，实现了精密，准确，可靠的固定方式。第三、本发明可以应用在微光学光路调节、MEMSswitch、MEMSVOA、MEMSMirror、MEMS陀螺等应用。第四、本发明还可以做类似推广应用于光通信MEMS、加速度、陀螺等领域。附图说明图1为本发明方法还未粘接结构的立体示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1的侧视图；图4为图2AA方向的剖视图；图5为图1点胶后MEMS的结构示意图；图6为图5的俯视图；图7为图5的侧视图；图8为图6的BB方向剖视图；图9为本发明方法粘接后无加热引线结构立体示意图；图10为本发明方法还未粘接结构的立体示意图——两个可控变形结构；图11为图10的俯视图；图12为图10的点胶后MEMS的结构示意图；图13为本发明方法还未粘接结构的立体示意图——被悬挂部件为梳齿结构；图14为图13的俯视图；图15为图13的点胶后MEMS的结构示意图；图16为图13中的被悬挂部件的放大图；图17为本发明中实施例1中形成MEMS结构的工艺流程图；其中，1、衬底；3、可控变形部件；4、被悬挂部件；5、加热引线；6、粘结材料；7、第一连接部；8第二连接部。具体实施方式在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。一种MEMS结构，包括衬底1、可控变形部件3、被悬挂部件4，其中，被悬挂部件4通过至少一个可控变形部件3与衬底1连接，还包括设置在所述被悬挂部件4上的第一连接部7以及设置在所述衬底1上的第二连接部8。本发明还公开了一种所述MEMS结构的制作方法，包括以下几个步骤：步骤一、所述可控变形部件为两种或两种以上不同膨胀系数材料叠放而成的结构；通过外整个MEMS结构加热或制冷来控制可控变形部件的变形，从而改变被悬挂部件的悬挂高度或角度；步骤二、当步骤一中被悬挂部件的悬挂高度或角度达到设定要求后，通过粘结材料将被悬挂部件上第一连接部与衬底上的第二连接部连接固定。下面通过具体实施例对发明作进一步详细的说明；实施例1如图1所示，一种MEMS结构，包括衬底1、被悬挂部件4，例如：质量块或者反射镜、可控变形部件3，其中，所述可控变形部件3的一端与所述衬底1连接，另一端与被悬挂部件4连接；在所述被悬挂部件4的侧部设置有第一连接部7；所述第一连接部7一端与被悬挂部件4固定连接，另一端悬空。衬底1上设置有第二连接部8，所述第二连接部8与第一连接部7形成匹配关系；该结构应用可以适用于微光学光路调节及光通信等领域。衬底1是为本发明MEMS结构提供了一个支撑的作用；第一连接部7和第二连接部8是用于被悬挂部件4定位，第一连接部7与第二连接部8是匹配对应的梳齿结构关系，便于实施粘接；可控变形部件3是由Al、SiO2两种不同膨胀系数的材料及Ti金属导电层复合而成，其作用使被悬挂部件4抬升高于衬底1表面，并能与电引线5形成电学连接；被悬挂部件4是光学反射镜；电引线5是用于给可控变形部件3内的金属导电层通电；粘结材料6的为UV胶，起粘接作用。使用Al与SiO2作为可控变形部件3材料制作MEMS可动结构流程（工艺流程图参见图17）：a、在SOI硅片制作的衬底1上PECVDSiO2并图形化；b、溅射Ti并图形化；c、再次PECVDSiO2并图形化；d、溅射Al并图形化；e、DRIE背面硅；f、DRIE正面硅；g、释放结构。通过以上方法就可以得到一端连接在衬底1上，另一端翘起并与所述衬底1表面之间形成10°角及0~30μm高度差的被悬挂部件4。在完成上述步骤的前提下，进行以下步骤：根据需要选择合适的UV胶，通过喷射点胶方式进行点胶，对所述第二连接部8与第一连接部7部位进行点胶；然后根据需要，对加热引线5进行通电，对可控变形部件3进行微调；当调到设定位置时，使用UV光源对UV胶进行迅速固化；通过上述步骤可实现整个MEMS的制作，最终MEMS结构如图5所示。实施例2该实施例与实施例1的主要区别在于采用了对称分布的可控变形部件3；可控变形部件3选用Cu与W两种不同膨胀系数的材料复合而成；如图10所示，一种MEMS结构，包括衬底1、被悬挂部件4（例如：质量块或者反射镜）、两个对称分布的可控变形部件3，所述可控变形部件3的一端与所述衬底1连接，另一端与被悬挂部件4连接；在所述被悬挂部件4的侧部设置有第一连接部7；所述第一连接部7一端与被悬挂部件4固定连接，另一端悬空。衬底1上设置有第二连接部8，所述第二连接部8与第一连接部7形成匹配关系；该结构应用可以适用于微光学光路调节及光通信等领域。使用Cu与W作为可控变形部件3的材料制作MEMS可动结构流程：在SOI硅片制作的衬底1上PECVDSiO2并图形化；溅射Ti并图形化；再次PECVDSiO2并图形化；溅射W并图形化；溅射Cu并图形化；DRIE背面硅；DRIE正面硅；释放结构。如图10所示，通过以上方法就可以得到一端连接在衬底1上，另一端翘起并与所述衬底1表面之间形成0°角及0~30μm高度差的被悬挂部件4。粘接工艺方法，以UV胶，通电微调为例。在完成上述步骤的前提下，进行以下步骤：根据需要选择合适的UV胶，通过喷射点胶方式进行点胶，对所述第二连接部8与第一连接部7部位进行点胶；然后根据需要，对加热引线5进行通电，对可控变形部件3进行微调；当调到设定位置时，使用UV光源对UV胶进行迅速固化；通过上述步骤即可实现整个MEMS的制作，最终MEMS结构如图12所示。实施例3该实施例与实施例1的主要区别在于可控变形部件3是由Au、SiO2两种不同膨胀系数的材料复合而成，其作用使被悬挂部件4抬升高于衬底1表面；并且没有电引线5；粘接材料6使用的是环氧树脂胶。如图9所示，一种MEMS结构，包括衬底、被悬挂部件（质量块或者反射镜）、单个可控变形部件，其中，所述可控变形部件的一端与所述衬底连接，另一端与被悬挂部件连接；在所述被悬挂部件的侧部设置有第一连接部7；所述第一连接部7一端与被悬挂部件固定连接，另一端悬空。该结构应用可以适用于微光学光路调节及光通信等领域。使用Au与SiO2作为可控变形部件3的材料制作MEMS结构流程：在SOI硅片制作的衬底1上PECVDSiO2并图形化；溅射Au并图形化；DRIE背面硅；DRIE正面硅；释放结构。通过以上方法就可以得到一端连接在衬底1上，另一端翘起并与所述衬底1表面之间形成10°角及0~30μm高度差的被悬挂部件4。粘接工艺方法，以环氧树脂胶，改变环境温度为例。在完成上述步骤的前提下，进行以下步骤：根据需要选择合适的环氧树脂胶，通过喷射点胶方式进行点胶，对第一连接部7与衬底1之间部位进行点胶；然后根据需要，对环境温度进行改变，对可控变形部件3进行微调；当调到设定位置时，使用热固化箱对环氧树脂胶进行固化；通过上述步骤可实现整个MEMS的制作，最终MEMS结构如图9所示。实施例4该实施例与实施例2的主要区别在于被悬挂部件4为梳齿结构；多了一个反射镜面9，并且反射镜面边缘也有梳齿结构，与被悬挂部件4形成了高低梳齿驱动器；当第一连接部7被粘接材料6固定后，高低梳齿驱动器可以驱动反射镜面9进行转动；如图13所示，一种MEMS结构，包括衬底1、被悬挂部件4（梳齿结构）、带梳齿结构的反射镜面部件9、两个对称的可控变形部件，其中，所述可控变形部件3的一端与所述衬底1连接，另一端与被悬挂部件4连接；在所述被悬挂部件4的侧部设置有第一连接部7；所述第一连接部7一端与被悬挂部件4固定连接，另一端悬空。衬底1上设置有第二连接部8，所述第二连接部8与第一连接部7形成匹配关系；被悬挂部件4与镜面四周的梳齿形成高低梳齿结构，可作为驱动器使用。该结构可以用于MEMSswitch、MEMSVOA等领域。使用Al与SiO2作为可控变形部件3材料制作MEMS结构流程：在SOI硅片制作的衬底1上PECVDSiO2并图形化；溅射Ti并图形化；再次PECVDSiO2并图形化；溅射Al并图形化；DRIE背面硅；DRIE正面硅；释放结构。通过以上方法就可以得到一端连接在衬底1上，另一端翘起并与所述衬底1表面之间形成0°角及0~30μm高度差梳齿结构的被悬挂部件4。粘接工艺方法，以UV胶，通电微调为例。在完成上述步骤的前提下，进行以下步骤：根据需要选择合适的UV胶，通过喷射点胶方式进行点胶，对第二连接部8及第一连接部7部位进行点胶；然后根据需要，对加热引线5进行通电，对可控变形部件3进行微调；当调到设定位置时，使用UV光源对UV胶进行迅速固化；通过上述步骤即可实现整个MEMS的制作，最终MEMS结构如图15所示。实施例5该实施例与实施例2的主要区别在于被悬挂部件4内含有磁性线圈结构，被悬挂部件为反射镜面；一种MEMS结构，包括衬底1、被悬挂部件4、两个对称的可控变形部件，其中，所述可控变形部件3的一端与所述衬底1连接，另一端与被悬挂部件4连接；在所述被悬挂部件4的侧部设置有第一连接部7；所述第一连接部7一端与被悬挂部件4固定连接，另一端悬空。衬底1上设置有第二连接部8，所述第二连接部8与第一连接部7形成匹配关系；被悬挂部件4内含有磁性线圈。使用方法：在衬底1底部设置磁性驱动器，与被悬挂部件4内的磁性线圈相结合实现被悬挂部件4的高度调节。该结构可以用于MEMSswitch、MEMSVOA等领域。使用Al与SiO2作为可控变形部件3材料，Ti作为线圈材料，制作MEMS结构流程：在SOI硅片制作的衬底1上PECVDSiO2并图形化；溅射Ti并图形化；再次PECVDSiO2并图形化；溅射Al并图形化；DRIE背面硅；DRIE正面硅；释放结构。通过以上方法就可以得到一端连接在衬底1上，另一端翘起并与所述衬底1表面之间形成0°角及0~30μm高度差梳齿结构的被悬挂部件4。粘接工艺方法，以UV胶，电磁微调为例。在完成上述步骤的前提下，进行以下步骤：根据需要选择合适的UV胶，通过喷射点胶方式进行点胶，对第二连接部8及第一连接部7部位进行点胶；然后根据需要，在衬底底部设置磁性驱动器，对可控变形部件3进行微调；当调到设定位置时，使用UV光源对UV胶进行迅速固化；通过上述步骤即可实现整个MEMS的制作。通过实施例5可以实现以静电高低梳齿作为驱动器的MEMSswitch、MEMSVOA，该方案解决了现有技术的工艺难题，并大大的缩减了成本，本发明还可以做类似推广应用于光通信MEMS、加速度、陀螺等领域。