一种具有柔性连接结构的电热MEMS微动平台的制作方法

一种具有柔性连接结构的电热mems微动平台
技术领域
1.本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种具有柔性连接结构的电热mems微动平台。


背景技术：

2.随着集成mems微镜的便携式电子产品的相继出现，同时由于光学性能与微镜镜面成正比，对大镜面mems微镜的需求也越来越多，而大镜面的微镜抗冲击性能差。因此，抗冲击性弱逐渐成为众多mems微镜产品化的重要阻碍因素。在电热式mems微镜中，一般通过双层材料(bimorph)驱动臂作为电热驱动臂连接微镜框架与镜面，当微镜受到来自一个或多个方向的冲击(特别是侧向冲击)时，驱动臂或锚点位置可能因受到过大应力而导致断裂。
3.目前，mems微镜普遍采用以下两种方案连接镜面：
4.方案一：电热驱动臂直接与镜面相连，即电热驱动臂直接制备在硅镜面上方。如图1所示的简单bimorph驱动器、isc(inverted
‑
series
‑
connected)驱动器、lsf(lateral
‑
shift
‑
free)驱动器结构。简单bimorph驱动器由一个或多个bimorph结构并联而成，驱动臂的每一部分都产生相同的弯曲；isc驱动器由两段反向级联的bimorph结构组成；lsf驱动器由三段bimorph结构和两段直臂结构组成。这种结构造成的问题是驱动器上产生的热功率将很快传导到微镜镜面；如驱动臂与器件硅衬底采用同样连接，电热驱动臂上产生的热也会很快扩散到衬底，导致器件响应度变低，功耗变高，且增加电热各驱动臂之间的串扰。同时，电热驱动臂上的热分布也因为较快的热传导变得不均匀，从而导致微镜倾角的变化，且无法有效调节微镜的高度和扭转角度。
5.方案二：如图2所示，公开号为cn 203101727 u的专利公开了一种热驱动mems微镜，电热驱动臂通过低热导率的sio2隔热连接件与镜面相连。在该方案中，驱动臂和镜面之间仅采用约2um的sio2膜层作为锚点，可以有效提高电热驱动mems微镜的工作效率，降低bimorph驱动臂上的热损耗。但是该结构存在的主要问题是隔热连接件采用sio2，材料太脆，易断裂，使得器件抗冲击性弱。sio2薄膜的断裂应力通常小于100mpa，这导致微镜无法经受几十厘米高度的跌落测试，同时大镜面的微镜在移动过程中也易存在结构断裂、镜面脱落等问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种具有柔性连接结构的电热mems微动平台，能够提高电热mems微动平台的抗冲击性。
7.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
8.一种具有柔性连接结构的电热mems微动平台，包括引线电极、衬底、基于bimorph结构的电热驱动臂、可动结构、柔性连接结构；电热驱动臂的一端通过衬底端连接结构连接到衬底，另一端通过可动端连接结构连接到可动结构；衬底端连接结构和/或可动端连接结构为柔性连接结构；柔性连接结构主要由有机聚合物材料构成；电热驱动臂中包含内置电
阻；衬底端连接结构包含导电引线，将内置电阻与衬底上的引线电极相连。
9.优选地，所述电热驱动臂由两层结构层、内置电阻层、绝缘层构成；电阻层内嵌在两层结构层中间，或者制备在电热驱动臂最底层，或者制备在电热驱动臂最上层；电阻层与结构层接触的界面，以及电阻层与衬底接触的界面，用绝缘层隔开，实现电绝缘。
10.优选地，所述电热驱动臂中，两层结构层由不同热膨胀系数的材料组成。
11.优选地，所述两层结构层中两层材料分别为铝和氧化硅，或者铝和硅，或者铜和钨，或者铝和钨；所述内置电阻层材料为钨、铂、钛、硅或多晶硅；所述绝缘层材料为氧化硅、氧化铝或氮化硅。
12.优选地，一个可动结构通过一个或一个以上的电热驱动臂连接衬底。
13.优选地，一个或一个以上电热驱动臂的衬底端连接结构为柔性连接结构。
14.优选地，一个或一个以上电热驱动臂的可动端连接结构为柔性连接结构。
15.优选地，所述电热驱动臂为简单bimorph结构、isc结构或lsf结构。
16.优选地，柔性连接结构由有机聚合物层构成，或者由有机聚合物层和电热驱动臂中的部分或所有材料层构成。
17.优选地，在衬底一端，柔性连接结构的制备方式为：
18.电热驱动臂的所有材料层都制备在衬底上，有机聚合物层完全制备到靠近衬底端的电热驱动臂之上；
19.或者，在衬底上制备电热驱动臂第一层材料层并铺设内置电阻，在内置电阻上制备有机聚合物层；有机聚合物层一侧搭接到内置电阻上，另一侧搭接到电热驱动臂第二层材料层上；
20.或者，电热驱动臂的内置电阻延伸到衬底上与引线电极相连；有机聚合物层一侧搭接到衬底上内置电阻上，另一侧搭接到电热驱动臂第二层材料层上；
21.或者，衬底上沉积有机聚合物层，电热驱动臂的部分或全部材料层沉积在有机聚合物层之上；
22.优选地，在可动结构一端，柔性连接结构的制备方式为：
23.先完成电热驱动臂的所有材料层的制备，再制备有机聚合物层，使得有机聚合物层一侧搭接到电热驱动臂的第二层材料层上，另一侧搭接到可动结构上；
24.或者，电热驱动臂的所有材料层都制备在可动结构上，有机聚合物层完全制备到靠近可动结构的电热驱动臂之上；
25.或者，先制备有机聚合物层，再制备电热驱动臂的材料层，使得可动结构上沉积有机聚合物层，电热驱动臂的部分或全部材料层沉积在有机聚合物层之上；
26.或者，有机聚合物层的制备嵌入在电热驱动臂的材料层制备中，使得可动结构上沉积有机聚合物层，电热驱动臂的部分材料层与有机聚合物层形成多层膜以连接电热驱动臂和可动结构。
27.优选地，所述有机聚合物层中内嵌支撑材料。
28.优选地，所述内嵌支撑材料为金属或二氧化硅。
29.优选地，所述有机聚合物层采用有机聚合物材料制成；或者，所述有机聚合物层采用多段材料复合而成：靠近衬底和可动结构的部分采用所述有机聚合物层，中间段采用二氧化硅或金属。
30.优选地，所述有机聚合物材料为聚酰亚胺pi、苯并环丁烯bcb、su
‑
8、聚甲基丙烯酸甲酯pmma或聚二甲基硅氧烷pdms。
31.优选地，所述柔性连接结构的拓扑形状为矩形、栅格型、网孔型、u型、h型、圆形、椭圆形或梯形。
32.优选地，所述可动结构上制备高反射薄膜实现光反射，以形成反射镜面，或形成可动框架，或形成透镜。
33.有益效果：
34.(1)本发明在电热驱动臂与其他部件的连接点处增加了采用有机聚合物材料制成的柔性连接结构，能够减缓微动平台和电热驱动臂之间的冲击，且柔性连接韧性较好，不容易断裂，从而增强器件的可靠性。
35.(2)对于可动结构侧的柔性连接结构，采用隔离结构设计，有机聚合物的热导率比二氧化硅和金属都低，隔热性能好，可以避免热功率传导过快导致的各种问题。
36.(3)本发明方案适用于各类电热驱动结构，且本方案提供了各种连接形式。
37.(4)本发明结构能够应用于基于bimorph结构的电热式mems微镜或承载其他微设备的微动平台，以改善器件的热机械可靠性，提高微镜的抗冲击性能，使其能更广泛的应用于便携化系统中。
附图说明
38.图1为现有技术中简单bimorph驱动器、isc驱动器以及lsf驱动器结构的示意图。
39.图2为现有技术中热驱动mems微镜的结构图。
40.图3为本发明具有柔性连接结构的电热微动平台示意图。
41.图4为多种具有柔性连接结构的电热微动平台实现方案。
42.图5为本发明柔性连接结构截面示意图。
43.图6为本发明柔性连接结构俯视图。
44.图7为bimorph结构膜层顺序示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
46.本发明提供了一种具有柔性连接结构的电热mems微动平台，其基本思想在于，在电热驱动臂与衬底、可动结构的连接处增加柔性连接结构。柔性连接结构采用有机聚合物材料制成，这种柔性材料不容易断裂，不仅能够减缓微电热驱动臂与其他部件之间的冲击，而且材料韧性较好，不易损坏，可以增强器件的可靠性。
47.此外，当柔性连接结构采用热导率较低的有机聚合物材料制成时，其热导率比二氧化硅和金属都低，隔热性能好，可以避免热功率传导过快导致的各种问题。
48.本发明的电热mems微动平台可以应用于热驱动mems微镜或任何承载微型设备的电热mems微动平台，例如透镜、芯片等。在前者应用下，通过在可动结构上制备高反射薄膜实现光反射，以形成反射镜面。
49.如图3所示，本发明的具有柔性连接结构的电热mems微动平台包含引线电极1、衬底2、电热驱动臂3、可动结构4、衬底端连接结构和可动端连接结构。电热驱动臂3为基于
bimorph结构构成的驱动器，如简单bimorph驱动器、lsf驱动器以及isc驱动器，其具有内置电阻6。电热驱动臂3的一端通过衬底端连接结构连接衬底2，另一端通过可动端连接结构连接可动结构4。衬底端连接结构和可动端连接结构可以其一或全部为柔性连接结构5。衬底端连接结构包含导电引线，将内置电阻6与衬底2上的引线电极1相连。引线电极1采用金属薄膜，通常为铝或金，直接沉积于衬底2上，与电热驱动臂3的内置电阻6相连，电压或电流通过引线电极1加载于内置电阻6，实现电热驱动臂3的对外电连接。衬底2通常为单晶硅材料。电热驱动臂3的温度改变，导致连接可动结构4的一端产生抬升或下降，从而实现结构4的面外垂直平动或扭转运动。可动结构4既可是反射镜面，表面沉积金属铝或金或其它高反射薄膜实现光反射，又可是各种形状的微动结构，如载物框架或透镜等。
50.仍参见图4，柔性连接结构5可同时制备于衬底2和电热驱动臂3的连接处以及可动结构4和电热驱动臂3的连接处，如图4中的(a)所示。也可单独制备于衬底2和电热驱动臂3的连接处，如图4中的(b)所示。也可单独制备于可动结构4和电热驱动臂3的连接处，如图4中的(c)所示。需要说明的是，图4中的(a～c)表示由简单bimorph结构驱动的mems微动平台，该驱动器可只用一个bimorph结构组成，如图4中的(d)所示，也可并联多个bimorph结构共同驱动。对于并联多个bimorph结构的情况，可以所有bimorph结构均采用柔性连接结构连接，或者部分bimorph结构采用柔性连接结构连接。
51.同时，电热驱动臂3还可为isc结构或lsf结构，图4中的(e)即由isc驱动器驱动的mems微动平台。此外，电热驱动臂3还可以在可动结构4的上下左右四个方向共同驱动，实现器件的垂直运动或扭转，如图4中的(f～g)所示。图4中的(f)示出了一种isc型电热驱动臂3的结构；图4中的(g)示出了一种lsf型电热驱动臂3的结构。
52.参见图5，图5示出了纵剖示意图。从图5中可以看出柔性连接结构5与电热驱动臂3的制备关系，以及与衬底2和可动结构4的连接关系。图5示出了衬底端和可动结构端均增加柔性连接结构的情况。如前所述，在实际中，也可以单侧设置柔性连接结构。对于衬底一端，柔性连接结构的加入不能将电热驱动臂3中的内置电阻6隔断，使得内置电阻6仍然能够与引线电极1相连。对于可动结构一端，优选的，柔性连接结构5将电热驱动臂3与可动结构的连接隔开，从而实现热隔离。
53.柔性连接结构5由有机聚合物层10构成，或者由有机聚合物层10和电热驱动臂3中的部分或所有材料层构成。图5示出了8种实施方式，并没有穷举所有组合。下面分别对衬底一端的实现和可动结构一端的实现进行详细描述。
54.衬底2一端有如下几种实现方式：
55.(1
‑
1)电热驱动臂3的所有层都制备在衬底2上，有机聚合物层10完全制备在靠近衬底2端的电热驱动臂3之上。如图5中的(a)所示。
56.(1
‑
2)衬底2上制备电热驱动臂3第一层材料层并在第一层材料层上铺设内置电阻6，在内置电阻6上制备有机聚合物层10。有机聚合物层10一侧搭接到内置电阻6上，另一侧搭接到电热驱动臂3第二层材料层上。如图5中的(b)所示。
57.(1
‑
3)电热驱动臂3不接触衬底2：电热驱动臂3的内置电阻6延伸到衬底2上与引线电极1相连；有机聚合物层10一侧搭接到衬底上内置电阻6上，另一侧搭接到电热驱动臂3第二层材料层上。如图5中的(c)所示。
58.(1
‑
4)电热驱动臂3不接触衬底2：衬底2上沉积有机聚合物层10，电热驱动臂3的部
分或全部材料层沉积在有机聚合物层10之上，内置电阻6从电热驱动臂3两层材料中间延伸出来与引线电阻6相连，如图5中的(d)所示。
59.优选地，为了增加柔性连接结构5的强度，可以进一步在有机聚合物层10中内嵌支撑材料7，如图5中的(e)所示。支撑材料7如内嵌金属层、二氧化硅层或其他材料层。图中只示出了在一种结构中增加支撑材料7的情况，在实际中，对于图5中的(a)～(c)的结构形式，均可以在有机聚合物层10中内嵌支撑材料7。
60.可动结构4一端有如下几种实现方式：
61.(2
‑
1)先完成电热驱动臂3的所有材料层的制备，再制备有机聚合物层10，使得有机聚合物层10一侧搭接到电热驱动臂3的第二层材料层上，另一侧搭接到可动结构4上。如图5中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。
62.(2
‑
2)电热驱动臂3的所有层都制备在可动结构4上，柔性连接结构5制备在电热驱动臂3之上。如图5中的(f)所示。
63.(2
‑
3)先制备有机聚合物层10，再制备电热驱动臂3的材料层，使得可动结构4上沉积有机聚合物层10，电热驱动臂3的部分或全部材料层沉积在有机聚合物层10之上。如图5中的(g)所示。优选地，为了增加柔性连接结构5的强度，进一步在有机聚合物层10中内嵌支撑材料7，如图5中的(h)所示。同理，图中只示出了在一种结构中增加支撑材料7的情况，在实际中，对于图5中的(e)和(f)的结构形式，均可以在有机聚合物层10中内嵌支撑材料7。
64.(2
‑
4)有机聚合物层10的制备嵌入在电热驱动臂3的材料层制备中，使得可动结构4上沉积有机聚合物层10，电热驱动臂3的部分材料层与有机聚合物层10形成多层膜以连接电热驱动臂3和可动结构4。
65.参见图6，本发明柔性连接结构的拓扑形状可以为矩形、栅格型、网孔型(圆孔或其他形状孔)、u型、h型、圆形、椭圆形、梯形等多种形式。
66.有机聚合物层10可以仅采用有机聚合物材料，也可以采用多段材料复合而成：靠近衬底2和可动结构4的部分采用有机聚合物材料，中间段采用二氧化硅或金属。
67.上述有机聚合物层10使用的有机聚合物材料包括但不限于：聚酰亚胺(pi)、苯并环丁烯(bcb)、su
‑
8、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)等聚合物。
68.如图7所示，电热驱动臂3的基础结构，即bimorph，由两层结构层7,8、内置电阻层6、一层或多层绝缘层9构成。电阻层6内嵌在结构层7和结构层8中间，或者制备在电热驱动臂3最底层，或者制备在电热驱动臂3最上层。电阻层6与结构层7,8接触的界面，以及电阻层6与衬底2接触的界面，用绝缘层9隔开，实现电绝缘。两层结构层7,8由不同热膨胀系数的材料组成。例如可以是铝和氧化硅，铝和硅，铜和钨，铝和钨等等；内置电阻层6材料可以为钨、铂、钛、硅、多晶硅等；绝缘层9材料可以为氧化硅、氧化铝、氮化硅等。
69.需要说明的是，衬底2上，引线电极1下面也需要有一层绝缘层，防止器件短路。
70.以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。