一种静电驱动结构及其制作方法与流程

本发明属于微机电系统执行器领域，涉及一种静电驱动结构及其制作方法。

背景技术：

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是由电子和机械组成的集成化器件或系统，通常包括传感器，执行器和处理电路三部分。静电驱动控制着电能到机械能的转化，同时也是最常见，最典型的驱动形式，广泛应用于微陀螺，微镜阵列，微谐振器和射频开关等MEMS器件。

静电驱动是利用电荷间的吸引力和排斥力的相互作用驱动电极而产生平移或旋转的运动方式。通过在电极上施加简单的电压信号，就可以控制微结构的运动，制造工艺与传统的IC工艺具有良好的兼容性，具有结构简单，功耗低和动态响应快等优点。

通常情况下，驱动电极按照几何结构可以分为两种：平板电极(如图1所示，包括固定平板电极101及可动平板电极102)和叉指电极(如图2所示，包括固定叉指电极103及可动叉指电极104)。平板电极相当于电容器的两个极板，当施加电压时，两个极板由于带异性电荷而相互吸引，静电力沿垂直于平板的方向。叉指电极是静电驱动中最常用的结构，利用切向静电力进行驱动，法向静电力由于电极的对称排列而相互抵消。在静电力的作用下，可动叉指电极向固定叉指电极方向运动。

平板电极和叉指电极的静电力分别由公式(1)和公式(2)两式给出，

其中，ε为空气的介电常数，t为电极厚度，g₀为极板间距，L为电极重合长度，V为施加的电压。定义η为F₁与F₂的比值，则有，

通常情况下，L＞＞g₀，因此平板电极的静电力要远大于叉指电极。

但是，由于极板相对运动时空气阻尼的存在，会使得实际的驱动力减小，同时空气阻尼也是造成能量损失的主要原因。空气阻尼可分为滑膜阻尼和压膜阻尼，滑膜阻尼产生的阻尼力较小，而压膜阻尼产生的阻尼力较大。平板电极运动时受到压模阻尼的作用而叉指电极则受到滑膜阻尼的作用。

由上可知，平板电极驱动力大，受到的阻尼力也大；叉指电极驱动力小，受到的阻尼力也小。过大的阻尼力会导致过高的能量损耗，从而使得功耗增大，而过小的驱动力在实现相同位移时需要更高的驱动电压。

因此，如何提供一种静电驱动结构及其制作方法，以降低功耗、提高驱动力，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种静电驱动结构及其制作方法，用于解决现有技术中平板电极过大的阻尼力会导致过高的能量损耗，从而使得功耗增大，而叉指电极过小的驱动力在实现相同位移时需要更高的驱动电压的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种静电驱动结构，包括固定叉指电极及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极；所述固定叉指电极包括若干呈周期性排列的第一叉指，所述可动叉指电极包括若干与所述第一叉指交错排列的第二叉指；其中：

所述第一叉指及第二叉指均在所述支撑梁方向上左右对称；

所述第二叉指在往所述固定叉指电极方向上宽度逐渐减小；

所述第一叉指在往所述可动叉指电极方向上宽度逐渐减小。

可选地，所述第一叉指在水平面上的投影为等腰三角形或等腰梯形；所述第二叉指在水平面上的投影为等腰三角形或等腰梯形。

可选地，所述可动叉指电极仅在其一侧设置有所述固定叉指电极。

可选地，所述可动叉指电极接地，所述固定叉指电极上施加的电压为V＝V_d V_a，其中V_d为直流电压，V_a为交流电压。

可选地，所述第二叉指受到的静电力大小为其中ε为空气的介电常数，t为电极厚度，g₀为初始电极间距，L₀为初始水平重合长度，α为电极侧壁倾斜角，V为所述固定电极上施加的电压值。

可选地，所述第二叉指的数目为N，所述可动叉指电极受到的总静电力为F₁＝N×F_e。

可选地，所述可动叉指电极两侧分别设置有一个所述固定叉指电极，且所述可动叉指电极两侧均具有若干所述第二叉指。

可选地，两个所述固定叉指电极上施加的电压分别为V₁＝V_d V_a及V₂＝V_d-V_a，其中，V_d为直流电压，V_a为交流电压。

可选地，所述第二叉指受到的静电力大小为其中ε为空气的介电常数，t为电极厚度，g₀为初始电极间距，L₀为初始水平重合长度，α为电极侧壁倾斜角，V为所述固定电极上施加的电压值。

可选地，所述可动叉指电极两侧的第二叉指数目均为N，所述可动叉指电极受到的总静电力为F₂＝2N×F_e。

本发明还提供一种静电驱动结构的制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一衬底，在所述衬底中刻蚀出凹腔结构，并在所述凹腔结构表面形成一绝缘层；

S2：提供一结构片，将所述结构片与所述衬底键合，封闭所述凹腔结构；

S3：将所述结构片减薄至制作叉指电极所需的厚度；

S4：图形化所述结构片，得到固定叉指电极及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极；所述固定叉指电极包括若干呈周期性排列的第一叉指，所述可动叉指电极包括若干与所述第一叉指交错排列的第二叉指；所述第一叉指及第二叉指均在所述支撑梁方向上左右对称；所述第二叉指在往所述固定叉指电极方向上宽度逐渐减小；所述第一叉指在往所述可动叉指电极方向上宽度逐渐减小。

可选地，还包括在所述结构片上制作与外部进行连接的金属焊盘的步骤。

可选地，所述第一叉指电极在水平面上的投影为等腰三角形或等腰梯形；所述第二叉指电极在水平面上的投影为等腰三角形或等腰梯形。

可选地，所述可动叉指电极仅在其一侧设置有所述固定叉指电极。

可选地，所述可动叉指电极两侧分别设置有一个所述固定叉指电极，且所述可动叉指电极两侧均具有若干所述第二叉指。

如上所述，本发明的静电驱动结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的静电驱动结构包括固定叉指电极及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极；所述固定叉指电极包括若干呈周期性排列的第一叉指，所述可动叉指电极包括若干与所述第一叉指交错排列的第二叉指；其中：所述第一叉指及第二叉指均在所述支撑梁方向上左右对称；且所述第二叉指在往所述固定叉指电极方向上宽度逐渐减小；所述第一叉指在往所述可动叉指电极方向上宽度逐渐减小。本发明中，可动叉指电极受到的静电力为电极间切向静电力和法向静电力在平行于运动方向上的合力，垂直于运动方向上的分量由于电极对称排列而相互抵消。由于第一叉指及第二叉指为三角形或梯形，固定叉指电极与可动叉指电极相对运动时受到滑膜阻尼和压膜阻尼的共同作用，电极的驱动力和阻尼力介于平板电极和普通叉指电极之间，既解决了普通叉指电极驱动力过小的问题，又使得阻尼力小于平板电极。因此本发明的静电驱动结构能够获得更大的可动位移，换言之，在实现相同位移时需要的驱动电压更小。

附图说明

图1显示为现有技术中平板电极的结构示意图。

图2显示为现有技术中叉指电极的结构示意图。

图3显示为本发明的静电驱动结构于实施例一中的结构示意图。

图4显示为本发明的静电驱动结构中叉指电极的尺寸标注。

图5显示为本发明的静电驱动结构于实施例二中的结构示意图。

图6显示为本发明的静电驱动结构的制作方法在衬底中刻蚀出凹腔结构，并在所述凹腔结构表面形成一绝缘层的示意图。

图7显示为本发明的静电驱动结构的制作方法提供一结构片，将所述结构片与所述衬底键合，形成封闭凹腔结构的示意图。

图8显示为本发明的静电驱动结构的制作方法将所述结构片减薄至制作叉指电极所需的厚度的示意图。

图9显示为本发明的静电驱动结构的制作方法图形化所述结构片，得到固定叉指电极及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极的示意图。

元件标号说明

101 固定平板电极

102 可动平板电极

103，201 固定叉指电极

104，203 可动叉指电极

202 支撑梁

2011 第一叉指

2031 第二叉指

204 衬底

205 凹腔结构

206 绝缘层

207 结构片

208 金属焊盘

W_F 电极宽度

L_F 电极长度

L₀ 初始水平重合长度

g₀ 初始电极间距

α 电极侧壁倾斜角

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种静电驱动结构，如图1所示，显示该静电驱动结构的结构示意图，包括固定叉指电极201及两端由支撑梁202支撑而悬空的可动叉指电极203；所述固定叉指电极201包括若干呈周期性排列的第一叉指2011，所述可动叉指电极203包括若干与所述第一叉指2011交错排列的第二叉指2031；其中：

所述第一叉指2011及第二叉指2031均在所述支撑梁202方向上左右对称；

所述第二叉指2031在往所述固定叉指电极201方向上宽度逐渐减小；

所述第一叉指2011在往所述可动叉指电极203方向上宽度逐渐减小。

如图4所示，显示为本发明的静电驱动结构中叉指电极的尺寸标注及电极参数，其中，W_F为电极宽度，L_F为电极长度，L₀为初始水平重合长度，g₀为初始电极间距，α为电极侧壁倾斜角。

作为示例，所述固定叉指电极201上的第一叉指2011与所述可动叉指电极203上的第二叉指2031的结构参数完全相同，即所述第一叉指电极2011与第二叉指电极2031的电极宽度相同、电极长度相同、电极侧壁倾斜角相同。

本实施例中，W_F的值大于0，所述第一叉指电极2011及所述第二叉指2031在水平面上的投影均为等腰梯形。在另一实施例中，当W_F的值等于0时，所述第一叉指电极2011及所述第二叉指2031在水平面上的投影均为等腰三角形。

需要指出的是，在其它实施例中，所述第一叉指电极2011与第二叉指电极2031的结构参数也可以不相同，只要满足叉指电极结构在支撑梁方向上左右对称，以抵消垂直于运动方向上的静电力。

本实施例中，所述可动叉指电极203仅在其一侧设置有所述固定叉指电极201。图3所示为所述固定叉指电极201设置于所述可动叉指电极203左侧的情形。当然在其它实施例中，所述固定叉指电极201也可以设置于所述可动叉指电极203右侧。

当需要进行静电驱动时，将所述可动叉指电极203接地，在所述固定叉指电极201上施加电压V＝V_d V_a，其中V_d为直流电压，V_a为交流电压。

所述可动叉指电极203上单个所述第二叉指2031受到的静电力大小为：

其中ε为空气的介电常数，t为电极厚度，g₀为初始电极间距，L₀为初始水平重合长度，α为电极侧壁倾斜角，V为所述固定电极上施加的电压值。

设所述可动叉指电极203上所述第二叉指2031的数目为N，则所述可动叉指电极受到的总静电力为F₁＝N×F_e。

本发明的静电驱动结构中可动叉指电极受到的静电力为电极间切向静电力和法向静电力在平行于运动方向上的合力，垂直于运动方向上的分量由于电极对称排列而相互抵消。由于所述第一叉指在往所述固定叉指电极方向上宽度逐渐减小；所述第二叉指在往所述可动叉指电极方向上宽度逐渐减小，所述第一叉指及第二叉指为三角形或梯形，使得固定叉指电极与可动叉指电极相对运动时受到滑膜阻尼和压膜阻尼的共同作用，电极的驱动力和阻尼力介于平板电极和普通叉指电极之间，既解决了普通叉指电极驱动力过小的问题，又使得阻尼力小于平板电极。因此本发明的静电驱动结构能够获得更大的可动位移，换言之，在实现相同位移时需要的驱动电压更小。

实施例二

本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，实施例一中，所述可动叉指电极仅在其一侧设置有所述固定叉指电极，而本实施例中，所述可动叉指电极两侧分别设置有一个所述固定叉指电极，且所述可动叉指电极两侧均具有若干所述第二叉指。

如图5所示，显示为本实施例中所述静电驱动结构的示意图，其中，一对固定叉指电极相互对称分布。

当需要进行静电驱动时，将所述可动叉指电极203接地，在两个所述固定叉指电极201上分别施加电压V₁＝V_d V_a及V₂＝V_d-V_a，其中，V_d为直流电压，V_a为交流电压。换句话说，两个固定叉指电极201分别在直流偏置(V_d)的基础上施加幅值相同相位相反的交流信号(V_a)，此时可动叉指电极203受到两个固定叉指电极201的共同作用，形成推挽驱动。

其中，所述可动叉指电极203上单个所述第二叉指2031受到的静电力大小为：

其中ε为空气的介电常数，t为电极厚度，g₀为初始电极间距，L₀为初始水平重合长度，α为电极侧壁倾斜角，V为所述固定电极上施加的电压值。

设所述可动叉指电极203两侧的第二叉指2031的数目均为N，则所述可动叉指电极受到的总静电力为F₂＝2N×F_e。相对于实施例一，本实施例的静电驱动力翻倍。此种静电驱动结构可提高电极的可动范围，从而提高器件灵敏度和分辨率。

实施例三

本发明还提供一种静电驱动结构的制作方法，包括如下步骤：

如图6所示，首先执行步骤S1：提供一衬底204，在所述衬底204中刻蚀出凹腔结构205，，并在所述凹腔结构205表面形成一绝缘层206。

具体的，所述衬底201包括但不限于Si、Ge、SiGe等常规半导体材料。所述绝缘层206包括但不限于氧化硅、氮化硅等化合物材料。本实施例中，所述衬底201以Si衬底为例，所述绝缘层206以氧化硅为例。

所述凹腔结构205可采用干法或湿法刻蚀得到。所述凹腔结构205的作用是为后续形成悬空的可动叉指电极提供一悬浮空间，其形状不受限制。

如图7所示，然后执行步骤S2：提供一结构片207，将所述结构片207与所述衬底204键合，封闭所述凹腔结构205。

具体的，所述结构片207包括但不限于Si、Ge、SiGe等常规半导体材料。本实施例中，所述结构片207优选采用Si结构片，通过硅硅键合工艺与所述衬底204键合。

如图8所示，再执行步骤S3：将所述结构片207减薄至制作叉指电极所需的厚度。

具体的，可通过研磨、湿法腐蚀或化学机械抛光减薄所述结构片207。减薄所述结构片207后，可接着在所述结构片207上制作用于与外部进行连接的金属焊盘208。

如图9所示，最后执行步骤S4：图形化所述结构片207，得到固定叉指电极201及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极203。

本实施例中，通过干法刻蚀图形化所述结构片207，由于电极下方具有预先刻蚀好的所述凹腔结构205，因此刻蚀好电极结构的同时，也实现了可动叉指电极203的释放。

如图5所示，显示为固定叉指电极201及由所述支撑梁202支撑而悬空的可动叉指电极203的一种俯视结构示意图。如图所示，所述固定叉指电极201包括若干呈周期性排列的第一叉指2011，所述可动叉指电极203包括若干与所述第一叉指2011交错排列的第二叉指2031；所述第一叉指2011及第二叉指2031均在所述支撑梁202方向上左右对称；所述第二叉指2031在往所述固定叉指电极201方向上宽度逐渐减小；所述第一叉指2011在往所述可动叉指电极203方向上宽度逐渐减小。

如图4所示，显示为本发明的静电驱动结构中叉指电极的尺寸标注及电极参数，其中，W_F为电极宽度，L_F为电极长度，L₀为初始水平重合长度，g₀为初始电极间距，α为电极侧壁倾斜角。

作为示例，所述固定叉指电极201上的第一叉指2011与所述可动叉指电极203上的第二叉指2031的结构参数完全相同，即所述第一叉指电极2011与第二叉指电极2031的电极宽度相同、电极长度相同、电极侧壁倾斜角相同。

本实施例中，W_F的值大于0，所述第一叉指电极2011及所述第二叉指2031在水平面上的投影均为等腰梯形。在另一实施例中，当W_F的值等于0时，所述第一叉指电极2011及所述第二叉指2031在水平面上的投影均为等腰三角形。

需要指出的是，在其它实施例中，所述第一叉指电极2011与第二叉指电极2031的结构参数也可以不相同，只要满足叉指电极结构在支撑梁方向上左右对称，以抵消垂直于运动方向上的静电力

本实施例制作的静电驱动结构中，所述可动叉指电极203两侧分别设置有一个所述固定叉指电极201，且所述可动叉指电极203两侧均具有若干所述第二叉指2031。可动叉指电极203受到两个固定叉指电极201的共同作用，形成推挽驱动，可实现大范围的运动，从而使传感器获得更明显的信号输出和更快动态响应，达到提高器件性能的目的。

如图3所示，在另一实施例中，所述可动叉指电极203也可仅在其一侧设置有所述固定叉指电极201。这种情况下，所述静电驱动结构的静电驱动力减半。

综上所述，本发明的静电驱动结构包括固定叉指电极及两端由支撑梁支撑而悬空的可动叉指电极；所述固定叉指电极包括若干呈周期性排列的第一叉指，所述可动叉指电极包括若干与所述第一叉指交错排列的第二叉指；其中：所述第一叉指及第二叉指均在所述支撑梁方向上左右对称；且所述第二叉指在往所述固定叉指电极方向上宽度逐渐减小；所述第一叉指在往所述可动叉指电极方向上宽度逐渐减小。本发明中，可动叉指电极受到的静电力为电极间切向静电力和法向静电力在平行于运动方向上的合力，垂直于运动方向上的分量由于电极对称排列而相互抵消。由于第一叉指及第二叉指为三角形或梯形，固定叉指电极与可动叉指电极相对运动时受到滑膜阻尼和压膜阻尼的共同作用，电极的驱动力和阻尼力介于平板电极和普通叉指电极之间，既解决了普通叉指电极驱动力过小的问题，又使得阻尼力小于平板电极。因此本发明的静电驱动结构能够获得更大的可动位移，换言之，在实现相同位移时需要的驱动电压更小。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。