一种基于氮化镓的静电梳状驱动式微镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜，属于光通信与光微机电 系统技术领域。
【背景技术】
[0002] 静电驱动式微扫描镜是利用平行板电容或梳齿电容间异性电荷间的库仑力，通过 专口设计的特定结构驱动微扫描镜进行扭转或位移。静电驱动式微扫描镜制作工艺易于与 1C工艺集成，易于集成检测电路和驱动控制电路。因此，静电驱动是应用最为广泛的驱动方 式。
[0003] 氮化嫁被称为第Ξ代新型半导体材料，具有较宽的直接带隙、很高的击穿场强、很 高的热导率、W及高峰值的饱和电子漂移速度等诸多优点，有着很强的耐高溫、耐高压W及 耐强福射的能力。由于氮化嫁材料在高溫、高频、大功率下独特的材料性质优势，使其在电 子器件领域有可能部分取代Si和其它半导体材料。目前关于氮化嫁材料及其器件的研究和 应用是全球半导体研究的前沿和焦点，它在光电子W及高溫大功率器件有着广阔的应用前 景。
[0004] 目前关于基于氮化嫁微驱动器的研究在国内鲜有报道，国外的相关报导也比较 少，只有日本东北大学微纳米研究所Kaz址iro化ne领导的小组研制出了氮化嫁基微驱动 器，但运也说明，在MEMS器件上生长氮化嫁材料是完全可行的。
[0005] 综上所述，人们对静电梳状驱动式微镜研究已经十分细致，许多结构复杂，功能齐 全的梳状微镜已经被研究出。但是，将微镜技术与氮化嫁材料相结合的研究却少有报道，基 于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜的研究更是未见公开。 【实用新型内容】
[0006] 技术问题:本实用新型目的是设计出一种基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜，需 设计出可利用梳状电容之间异性电荷的库仑力对微镜进行驱动的结构，还要克服氮化嫁材 料在MEMS器件上的生长难题。覆盖了氮化嫁结构的梳状驱动器对微镜的驱动效果会更加显 著，高效。
[0007] 技术方案:基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜，其结构为在娃层圆形微镜A的两端 各伸出一个悬臂梁G，两侧的悬臂梁各通过一个扭转臂固支在外框上;两条悬臂梁的单侧各 分布多个可动梳齿E，而固定梳齿D则固定在外框上，可动梳齿E和固定梳齿D在垂直方向有 一个高度差，每个可动梳齿E与固定梳齿D之间都有着相同的间隙，娃层的厚度为200μπι。在 微镜，悬梁臂?与可动梳齿Ε的表面上，还覆盖了一层200nm的氮化嫁结构Β。
[000引在静电驱动器中，有平板电容驱动方式和梳齿电容驱动方式两种。平板电容驱动 方式结构简单，但存在吸合效应，导致需要很高的驱动电压。而梳齿驱动没有吸合效应的影 响，具有驱动电压低，位移距离大等优势。
[0009]当在可动梳齿和固定梳齿之间施加电压U之后，可动梳齿和固定梳齿可W形成一 组平行电容板。一对电极梳齿的总电容是由梳齿重合区域的梳齿侧壁形成的表面电容和梳 齿端部的边缘电容所组成。由于梳齿端部的边缘电容很难用解析方式来计算，故本文中忽 略不计。而整个梳齿电容器的总电容可W看作是由η对梳齿阵列单元电容并联而成。
[0010] 在重叠区域相对的可动梳齿和固定梳齿的侧壁构成了平行板电容器，其电容与梳 齿的厚度W及可动梳齿与相邻的固定梳齿的初始间距有关，厚度越大越好，间距越小越好。
[0011] 施加了电压U之后，梳齿电容器会储存电能为Ε的电势能，电势能会产生一个横向 驱动力，对整个微镜结构进行驱动，从而产生驱动位移。
[0012]有益效果
[0013] 本实用新型的设计是基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜，该结构微镜具有W下优 占. y ?、、·
[0014] (1)结构简单易设计；
[0015] (2)创新性的在原有静态梳状驱动式微镜的基础上应用MEMS加工技术成功生长出 了氮化嫁材料结构，而且成品制作精良；
[0016] (3)通过材料的适当选择和结构参数的合理设计，相比于一般的静态梳状驱动式 微镜，更有利于微镜的驱动。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的Ξ维结构全图。
[001引A:微镜B:氮化嫁层C:单晶娃层
[0019] D:固定梳齿E:可动梳齿F:固定框架G:悬臂梁
[0020] 图2为静电梳齿结构。
[0021] D:固定梳齿E:可动梳齿
[0022] 图3为施加电压后，该微镜的位移分布图。
[0023] 图4为结合体娃与氮化嫁材料加工而成在扫描电镜下的结构图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本实用新型的内容更加清晰，下面会给出详细的实施方式和具体的操作过 程。
[0025] 本实例设计的圆形微镜半径为50μπι，两侧的悬臂梁长度为400μπι，每个悬臂梁上有 6个可动梳齿，可动梳齿的大小规格为75μηι*15μηι。悬臂梁两端的弹黃长宽为100皿*10皿。7 个固定梳齿安放在框架上，每个规格为75μηι*10μηι，固定梳齿与可动梳齿之间的间隔为扣m， 娃层厚度为200μπι，氮化嫁层厚度为200nm，运些是该微镜的基本结构参数，如图1所示。
[0026] 基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜的工作方式如下：如图2所示，d为可动梳齿与 固定梳齿之间的间距，kx为弹性支撑梁的弹性系数，Fx为可动梳齿受到的静电力，Fyl、Fy2为 动梳齿受到的垂直方向的上下静电力，方向相反，Wl、W2分别为动、静梳齿上下等效电容的静 电势能。当在活动梳齿和固定梳齿之间施加250V的驱动电压时，该微镜的电势分布图如图3 所示。此时，可动梳齿与固定梳齿之间的电势能为：
[0027]
[002引上式中Ci、C2为动静梳齿上下梳齿之间的等效电容。等效的静电力Fx，Fy为：
[0031] 由于可动梳齿与固定梳齿间距d相同，因此：
[0032]
[0033] 式中，ε〇为真空介电常数，h为动静梳齿之间的厚度，X为可动梳齿横向位移。由于Cl =C2，固Fyi+Fy2 = 0，所W，可动梳齿只在横向运动，而垂直方向位移不发生变化。横向静电力 Fx为：
[0034]
[0035] N为该微镜驱动器的动静梳齿对数，在本例中为7。由于梳齿结构高度h，间距d均为 常数，故横向静电力正比于驱动电压V的平方，大小仅与驱动电压有关。
[0036] 设弹性支撑梁的横向弹性系数kx为常数，则可动梳齿的横向位移X可表示为
[0037]
[0038] 当施加驱动电压时，本发明基于氮化嫁的静电梳状驱动式微镜的横向位移与电压 关系如图3所不。
[0039] 图4为在上述实例基础上，结合体娃与氮化嫁材料的加工工艺所设计出的实际结 构图，该实际制做出的结构与实例基本类似，工作原理相同。在实物可动梳齿与固定梳齿两 端施加电压后，电压与位移的关系图也如图3所示。
【主权项】
1. 基于硅基氮化镓的静电梳状驱动式微镜，其特征在于，包括有:微镜(A)的两端各伸 出一个悬臂梁(G)，悬臂梁的单侧各分布多个可动梳齿(E)，固定梳齿(D)则固定在外框上 (F)，每个可动梳齿(E)与固定梳齿(D)之间都有着相同的间隙；在微镜(A)悬梁臂(G)与可动 梳齿(E)的表面上，还覆盖了一层氮化镓结构(B)。2. 如权利要求1所述的基于硅基氮化镓的静电梳状驱动式微镜，其特征在于，可动梳齿 (E)和固定梳齿(D)在垂直方向有一个高度差，每个可动梳齿与固定梳齿之间都有着相同的 间隙，娃层的厚度为200μηι。3. 如权利要求1所述的基于硅基氮化镓的静电梳状驱动式微镜，其特征在于，覆盖的一 层氮化镓(Β)结构厚度为200nm〇
【专利摘要】本实用新型是一种基于硅基氮化镓的静电梳状驱动式微镜。该微镜是将氮化镓材料生长在硅上,总共包含两层，下层为衬底层，材料为硅，由可动梳齿，固定梳齿，悬臂梁，微镜构成,可动梳齿与固定梳齿非等高度。上层在下层的基础上生长了一层薄薄的氮化镓材料结构。该器件工作时利用梳状电容之间异性电荷的库仑力对微镜进行驱动，由于氮化镓材料特有的性质，因此可以获得较为理想的驱动效果。本实用新型结构简单，参数易设计，创新性的在静电梳状驱动式微镜上生长氮化镓结构，在光通信和MEMS领域都有较好的应用前景和参考价值。
【IPC分类】B81B3/00
【公开号】CN205151756
【申请号】CN201520872637
【发明人】胡芳仁, 刘昕, 刘畅安, 潘凌楠, 吴成玲
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月4日