微振荡元件与微振荡元件阵列的制作方法

专利名称：微振荡元件与微振荡元件阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微振荡元件，例如微镜、加速度传感器、角速度传感器 和振动元件。本发明还涉及一种使用此类微振荡元件的阵列。
背景技术：
近来，已经在各个技术领域中使用具有由微机械技术形成的微小结构的 兀件。此类元件的实例包括微振荡器件，例如微镜元件、加速度传感器和角 速度传感器，它们中的每一个均包括极小的振荡部。微镜元件用于在例如光 盘或光通信技术领域中反射光。加速度传感器和角速度传感器例如用于稳定 在数码摄像机中或者包含在移动电话中的数码相机中的图像，以防用户的手 部运动。这些传感器还用于汽车导航系统、气囊充气定时系统或者用于汽车或机器人的姿态控制系统。例如，在专利文献JP-A-2003-19700、 JP-A-2004-341364和JP-A-2006-72252中描述了传统的微振荡元件。图21-23示出了作为传统微振荡元件实例的微振荡元件X3。图21是微振荡元件X3的平面图，图22和图23分别是沿着图2i中的线xxn-xxn 和xxni-xxin剖开的截面图。微振荡元件X3包括振荡部40、框架51、 一对扭杆52以及梳齿电极53， 并且构造为微镜元件。为了使附图清楚，振荡部40和框架51在图21中以阴影线示出。振荡部40包括焊盘部(land portion) 41、梳齿电极42和梁部(beam portion) 43。所述焊盘部41包括在其表面上的反射光的镜部41a。梳齿电极 42用作微振荡元件X3的驱动机构中的可动电极，并且由制成导电性的硅材 料构成。所述梁部43将焊盘部41与梳齿电极42连接在一起。梁部43由制 成导电性的硅材料构成。框架51具有围绕振荡部40的形状，并且由硅材料构成。框架51中包 括预定的导电路径(未示出)。一对扭杆52限定了振荡部40或者焊盘部41的振荡运动的轴线A3。每 个扭杆52连接至梁部43和振荡部40的框架51，从而用作这两者之间的连 接；如图23所示，各扭杆52在其厚度方向H上薄于梁部43和框架51。扭 杆52还用于电连接框架51和梁部43中的导电路径，并且由制成导电性的 硅材料构成。梳齿电极53用于与梳齿电极42协作而产生静电力，并且如图23所示， 梳齿电极53固定至框架51。换句话说，梳齿电极53构成微振荡元件X3的 驱动机构的固定电极。梳齿电极53由制成导电性的硅材料构成。例如，在 振荡部40未工作时，如图22和图23所示，梳齿电极42、 53位于高度上彼 此不同的水平面上。梳齿电极42、 53设置成各个电极齿彼此交错，以便在 驱动振荡部40振荡时避免干涉。在微振荡元件X3中，将预定电位供给梳齿电极42、 53，这会使振荡部 40或者焊盘部41围绕轴线A3旋转地位移。例如，电位可以经由在框架51、 一对扭杆52和梁部43中的预定导电路径供给梳齿电极42，并且梳齿电极 42是接地的。当通过将预定电位供给各梳齿电极42、 53而在梳齿电极42、 53之间产生所需的静电引力时，梳齿电极42被吸引向梳齿电极53。因此， 振荡部40或焊盘部41围绕轴线A3振荡，并且可以旋转地位移一角度，以 使电极之间的静电引力与相应扭杆52的总扭转抗力平衡。通过调节待供给 梳齿电极42、 53的电位，来控制在这种振荡运动中的旋转位移量。当取消 梳齿电极42、 53之间的静电引力时，各个扭杆52回复自然状态，因而振荡 部40或焊盘部41呈现如图23所示的取向。于是，驱动振荡部40或焊盘部 41以振荡就允许根据需要改变由设置在焊盘部41上的镜部41a反射的光的 方向。如上所述，微振荡元件X3驱动振荡部40以围绕由扭杆52限定的轴线 A3振荡。然而，这种构造使得振荡部40围绕轴线A3的重量平衡更加不合 需要。具体而言，如图21所示，在图中轴线A3以上的、振荡部40的上半 部分具有相对密集的结构，而在轴线A3以下的下半部分具有相对稀疏的结 构(换句话说，振荡部40的上半部分和下半部分是不对称的)。此外，如 图23所示，轴线A3在振荡部40的厚度方向H上偏向图中的下部位置。这 种结构就阻碍了实现振荡部40围绕轴线A3的所需的重量平衡。振荡部40的极差的重量平衡就阻止了在振荡部40的振荡运动中旋转位移的精调。例 如，振荡部40趋向于在重力的影响下略微旋转。在加速度传感器或角速度 传感器中，在振荡部中的不合需要的重量平衡就降低了传感特性。发明内容在前述情况下提出了本发明。因此，本发明的目的在于，提供一种微振 荡元件和微振荡元件阵列，其适于实现振荡部的所需的重量平衡。本发明的第一方案是提供一种微振荡元件，所述微振荡元件包括基座框 架、振荡部和使基座框架与振荡部彼此连接的连接部。振荡部包括可动功能 部、连接在可动功能部的第一驱动电极以及在所述可动功能部的相对侧连接 至第一驱动电极的配重部。连接部限定振荡部的振荡运动的轴线。微振荡元 件还包括第二驱动电极，其与第一驱动电极配合工作以产生用于振荡运动的 驱动力。在本发明的微振荡元件的振荡部中，具有较稀疏的结构的第一驱动电极 设置在可动功能部与配重部之间。这种振荡部的振荡运动的轴线由使基座框 架与振荡部彼此连接的连接部限定。由于配重部邻近第一驱动电极，所以在 振荡部中能实现围绕轴线的所需的重量平衡。这种微振荡元件便于精确地控 制在振荡部的振荡运动中的旋转位移。另外，在微振荡元件用于加速度传感 器或角速度传感器中的情况下，振荡部的所需的重量平衡有利于实现完美的 传感性能。本发明的微振荡元件可以通过处理具有多层结构的材料基板获得，所述 多层结构包括第一导体层、第二导体层以及位于第一导体层与第二导体层之 间的绝缘层。在这种情况下，可动功能部、第一驱动电极和配重部可以是在 第一导体层中形成的部分，而第二驱动电极可以是在第二导体层内形成的部分。优选地，连接部可以在可动功能部与第一驱动电极之间的位置处连接至 振荡部。振荡部可以包括用于使可动功能部与第一驱动电极彼此连接的梁 部。在这种情况下，连接部可以连接至振荡部的梁部。优选地，配重部可以电连接至第一驱动电极。这种构造有利于经由第一 驱动电极向配重部供给预定电位。优选地，本发明的微振荡元件可以设计为在配重部与第二驱动电极之间 产生静电力。这种结构允许在第一驱动电极与第二驱动电极之间以及在配重 部与第二驱动电极之间产生静电驱动力。通过种双驱动力的产生，易于使振 荡部以所需的方式振荡。优选地，在配重部与第二驱动电极之间的间距随着远离第一驱动电极 (即，远离振荡运动的轴线)而逐渐增加。这种构造便于降低在距第一驱动 电极更远的位置处、配重部与第二驱动电极之间产生的单位面积上的静电 力。这样有利于抑制用于使第一驱动电极(其上连接有配重部)弯曲的动量， 由此防止第一驱动电极的不适当变形。优选地，第一驱动电极可以包括第一臂部和第二臂部，其平行于与振 荡轴线相交的方向延伸；以及多个从第一臂部向第二臂部延伸的电极齿，其 沿着所述第一臂部的延伸方向相间隔地对齐。第一驱动电极还可以包括多个 从第二臂部向第一臂部延伸的电极齿，其沿着所述第二臂部的延伸方向相间 隔地对齐。此外，第二驱动电极可以包括第三臂部，其沿着第一臂部和第二 臂部延伸；以及多个从所述第三臂部向所述第一臂部延伸的电极齿，其沿着 第三臂部的延伸方向相间隔地对齐。第二驱动电极还可以包括多个从第三臂 部向第二臂部延伸的电极齿，其沿着第三臂部的延伸方向相间隔地对齐。优选地，振荡部还可以包括附加的配重部，其在可动功能部与配重部之 间连接至第一驱动电极。所述附加的配重部沿振荡部(进而是第一驱动电极) 的厚度方向堆叠在第一驱动电极上。这种附加的配重部有助于在振荡部中实 现围绕轴线的所需的重量平衡，所述振荡部包括可动功能部、第一驱动电极 和配重部(特别地，在沿振荡部的厚度方向观察时，轴线的一侧上的结构与 其相对一侧上的结构之间所需的重量平衡)。如上所述，本发明的微振荡元件可以通过处理具有多层结构的材料基板 获得，所述多层结构包括第一导体层、第二导体层以及位于第一导体层与第 二导体层之间的绝缘层。在这种情况下，附加的配重部可以是在第二导体层 中形成的部分。优选地，附加的配重部可以电连接至第一驱动电极。这种构造有利于经 由第一驱动电极向配重部供给预定电位。本发明的微振荡元件还可以包括附加的框架以及使基座框架与振荡部彼此连接的附加的连接部，其中附加的连接部限定沿与所述基座框架的振荡 运动的轴线相交的方向延伸的、另外的轴线。微振荡元件还可以包括产生使 基座框架振荡的驱动力的驱动机构。本发明的微振荡元件可以构造为此类双 轴振荡元件。本发明的第二方案是提供一种微振荡元件阵列。所述微振荡元件阵列包 括多个根据本发明的第一方案的微震荡元件。多个微振荡元件的轴线可以彼 此平行。各个微振荡元件的第一驱动电极可被施加给定的共电位，而各个微 振荡元件的第二驱动电极可分别被施加给定的不同的电位。


图1是示出了根据本发明第一实施例的微振荡元件的平面图；图2是图1所示的微振荡元件的局部平面图；图3是沿着图1中线III-III剖开的截面图；图4是沿着图1中线IV-IV的剖开的放大截面图；图5是沿着图1中线V-V剖开的放大截面图；图6是沿着图1中线VI-VI剖开的截面图；图7是在驱动状态下，沿着图1中线Ill-Ill剖开的截面图；图8示出了图1所示的微振荡元件制造工艺的某些步骤；图9示出了图8所示步骤随后的某些步骤；图IO是示出了掩模图案的平面图；图11是示出了另一掩模图案的平面图；图12是示出了根据本发明第二实施例的微振荡元件阵列的平面图；图13是沿着图12中线xin-xni剖开的放大截面图；图14是示出了根据本发明第三实施例的微振荡元件阵列的平面图； 图15是示出了图14所示的微振荡元件阵列中所包括的微振荡元件的平 面图；图16是图15所示的微振荡元件的局部平面图； 图17是沿着图15中的线XVII-XVII剖开的放大截面图； 图18是沿着图15中的线XVII-XVII剖开的截面图； 图19是沿着图15中的线XIX-XIX剖升的截面图；图20是沿着图15中的线XX-XX剖开的截面图； 图21是传统的微振荡元件的平面图；图22是沿着图21中的线XXII-XXII剖开的截面图；以及图23是沿着图2i中的线xxm-xxin剖开的截面图。
具体实施方式
图1至图6描述了根据本发明第一实施例的微振荡元件XI。图1是微 振荡元件XI的平面图；图2是微振荡元件XI的局部平面图；图3是沿着图i中线ni-in剖开的截面图。图4至图6是分别沿着图i中的线iv-iv、V-V和VI-VI剖开的放大截面图。微振荡元件XI包括振荡部10、基座框架21、 一对连接部22、驱动电 极23以及屏蔽电极部24，并且微振荡元件X1在此实施例中构造为微镜元 件。在此，假定利用体微机械加工技术例如MEMS技术，通过处理材料基 板，来制造微振荡元件X1，所述材料基板是所谓的绝缘体上硅(SOI)晶片。 材料基板具有包括第一硅层和第二硅层以及设置在所述硅层之间的绝缘层 的多层结构，所述硅层通过掺入杂质而具有预定的导电性。鉴于构成微振荡 元件X1的各前述部分均基于第一硅层和第二硅层中的至少一个形成，为了 使附图清楚，源于第一硅层且比绝缘层更靠近观察者设置的部分在图1中以 阴影线表示。相反地，图2描述了源于第二硅层的微振荡元件X1的部分。振荡部10包括焊盘部11、驱动电极12、梁部13和配重部14A、 14B、14C。焊盘部ll源于第一硅层，并包括位于其表面上的、反射光的镜部lla。 焊盘部11与镜部Ua构成根据本发明的可动功能部。在图1中由L1标示的 焊盘部11或可动功能部的长度是例如20pm-300jam。驱动电极12源于第一硅层，并且包括一对臂12A、 12B，多个电极齿12a 和多个电极齿12b。臂12A、 12B平行于图1中箭头D标示的方向。如图1 和图4所示，电极齿12a从臂12A向臂12B延伸，并且如图1所示，电极齿 12a沿着臂12A的延伸方向相间隔地对齐。电极齿12b从臂12B向臂12A延 伸，并沿着臂12B的延伸方向相间隔地对齐。在驱动微振荡元件X1时，驱 动电极12用于接受预定的基准电位(例如地电位)。如此构造的驱动电极12对应于根据本发明的第一驱动电极。梁部13源于第一硅层，并连接焊盘部11和驱动电极12。配重部14A固定至驱动电极12的臂12A的端部，并电连接至驱动电极 12。配重部14A可以通过驱动电极12接受电位。配重部14B固定至驱动电极12的臂12B的端部，并电连接至驱动电极 12。配重部14B可以通过驱动电极12接受电位。如图2所示，配重部14C源于第二硅层；并且如图5所示，配重部14C 通过在焊盘部11与驱动电极12之间的绝缘层15连接至驱动电极12。配重 部14C和驱动电极12通过穿过绝缘层15的导电孔16而电连接。如此构造 的配重部14C对应于根据本发明的附加的配重部。框架21具有多层结构，例如如图3和图6所示，所述多层结构包括源 于第一硅层的第一层状结构21a、源于第二硅层的第二层状结构21b以及设 置在第一层状结构21a与第二层状结构21b之间的绝缘层21c。第一层状结 构21a具有部分地围绕振荡部10的形状，如图1所示。第二层状结构21b 具有围绕整个振荡部10的形状，并构成框架的主体。如图6所示，第一层 状结构21a和第二层状结构21b通过穿过绝缘层21c的导电孔21d电连接。如图1所示，连接部22分别包括一对扭杆22a。各扭杆22a均源于第一 硅层，并将振荡部10的梁部13与框架21的第一层状结构21a连接在一起， 由此连接振荡部10与框架21。通过扭杆22a，梁部13与第一层状结构21a 电连接。构成连接部22的成对扭杆22a之间的间距沿着从框架21朝向振荡 部10的方向逐渐增加。如图3所示，扭杆22a在厚度方向H上薄于振荡部 10，并且薄于框架21的第一层状结构21a。如此构造的这对连接部22限定 了振荡部10或焊盘部11的振荡运动的轴线Al。轴线Al与图1中箭头D 所示的方向垂直，换句话说，与驱动电极12的臂12A、 12B的延伸方向垂直。 包括成对扭杆22a的连接部22定向成使扭杆22a之间的间距沿从框架21朝 向焊盘部11的方向逐渐增加，这有利于抑制在焊盘部11的振荡运动中出现 不合需要的位移分量。从图2可以清楚地看出，驱动电极23源于第二硅层，并包括臂23A、 多个电极齿23a和多个电极齿23b。臂23A沿图1中箭头D所示的方向延伸。 多个电极齿23a从臂23A向驱动电极12的臂i2A延伸，并沿着臂23A的延伸方向相间隔地对齐。多个电极齿23b从臂23A向臂12B延伸，并沿着臂 23A的延伸方向相间隔地对齐。驱动电极23靠近驱动电极12以及配重部 14A、 14B设置。屏蔽电极部24源于第一硅层，并且例如如图4所示，屏蔽电极部24经 由绝缘层25连接至驱动电极23的臂23A。屏蔽电极部24和驱动电极23彼 此电隔离。如图1所示，屏蔽电极部24是框架21的第一层状结构21a的延 伸部分并电连接至第一层状结构21a。在微振荡元件X1中，驱动电极12、 23构成能产生待施加至振荡部10 的驱动力的驱动机构或致动器。在该驱动机构中，驱动电极12的臂12A、 12B沿与轴线Al垂直的方向相间隔地延伸。在与振荡部10相关的轴线Al 的延伸方向上，该对臂12A、 12B构成包括驱动电极12、 23的驱动机构地结 构的最外侧部分。如图1和图4所示，驱动电极23位于臂12A与12B之间 的间距L2内。所述间距L2例如为10|im-300^im。在前述微振荡元件X1的振荡部10中，焊盘部ll、驱动电极12以及配 重部14A、 14B设置为使具有比焊盘部11更稀疏结构的驱动电极12位于焊 盘部11与配重部14A、 14B之间。鉴于这种振荡部10的振荡运动的轴线Al 由连接部22或扭杆22a限定，所述连接部22或扭杆22a连接至焊盘部11 与驱动电极12之间的梁部13以使框架21与振荡部IO连接，将配重部14A、 14B设置在具有较稀疏结构的驱动电极12的一侧上便于在包括焊盘部11和 驱动电极12的振荡部10中实现所需的重量平衡(特别地，在从轴线Al沿 着图1中箭头D的一个方向延伸的部分与沿着相对方向延伸的部分之间的所 需的重量平衡)。因此，微振荡元件X1适于实现振荡部10的所需的重量平除配重部14A、 14B之外，微振荡元件XI的振荡部10还包括配重部14C。 所述配重部14C沿振荡部10的厚度方向H堆叠在驱动电极12上。这种配重 部14C有助于实现在包括焊盘部11、驱动电极12和配重部14A、 14B的振 荡部10中围绕轴线Al的、所需的重量平衡(特别地，沿振荡部10的厚度 方向H，轴线A1的一侧的结构与在相对一侧的结构之间所需的重量平衡)。设置配重部14A、 14B、 14C能够实现围绕微振荡元件XI的振荡部10 的轴线Al的所需的重量平衡。更详细地，除了焊盘部ii、驱动电极12和梁部13之外，振荡部IO包括配重部14A、 14B、 14C，从而使振荡部10中 在图3中地轴线Al右侧的结构(包括焊盘部11、梁部13的一部分以及配 重部14C的一部分)与振荡部10中在图3中的轴线Al的左侧的结构(包括 驱动电极12、梁部13的一部分以及配重部14A、 14B的一部分和配重部14C 的一部分)具有大致相同的质量(换句话说，振荡部10中在图1中的轴线 Al之上的结构与其在图1中的轴线Al之下的结构具有大致相同的质量)， 并且振荡部10中在图3中的轴线Al之上的结构(包括焊盘部11的一部分、 驱动电极12的一部分、梁部13的一部分和配重部14A、 14B的一部分)与 其在图3中的轴线Al之下的结构(包括焊盘部11的一部分、驱动电极12 的一部分、梁部13的一部分和配重部14C的一部分)也具有大致相同的质里。为了驱动微振荡元件X1，将预定的基准电位施加至振荡部10的驱动电 极12。基准电位可以通过框架21的第一层状结构21a、连接部22的扭杆22a 和振荡部10的梁部13施加至驱动电极12。基准电位例如是地电位，并优选 保持处于恒定的水平。于是，当对驱动电极23施加比基准电位更高的驱动 电位时，驱动电极12与23之间(电极齿12a与23a之间以及电极齿12b与 23b之间)可以产生静电引力。 一旦在驱动电极12与23之间产生的静电引 力达到预定值，驱动电极12被吸引向驱动电极23。因此，振荡部10或焊盘 部11围绕轴线Al振荡，从而以一个角度旋转位移，在此情况下各个扭杆 22a的静电引力和总扭转抗力是平衡的。在平衡状态下，驱动电极12、 23呈 现例如如图7所示的定向。在振荡运动中的旋转位移量可以通过调节施加至 驱动电极23的驱动电位来控制。在取消驱动电极12与23之间的静电引力 时，扭杆22a回复自然状态，从而使振荡部10或焊盘部11呈现如图3所示 的定向。如此驱动振荡部10或焊盘部11振荡，就允许根据所需改变由镜部 lla反射的光的方向，所述镜部设置在焊盘部ll上。包括配重部14A、 14B和14C以实现振荡部10所需的重量平衡的、微 振荡元件X1的这种结构便于以高精度控制在振荡部IO的振荡运动中的旋转 位移量。在微振荡元件X1中，预定电位可以施加在如上述驱动电极12和配重部 14A、 14B上，这这样能够产生用作驱动电极12与23之间以及配重部i4A、14B与驱动电极23之间的驱动力的静电力。这种附加的静电力可以用作驱动力以使振荡部io振荡。在微振荡元件X1中，配重部14A包括部分14a，其中在配重部14A与 驱动电极23之间的间距L3朝向距驱动电极12更远的位置(即距振荡运 动的轴线Al更远的位置)逐渐增加。同样的，配重部14B包括部分14b， 其中在配重部14B与驱动电极23之间的间距L4朝向距驱动电极12更远的 位置(g卩距轴线Al更远的位置)逐渐增加。这种构造便于降低配重部14A、 14B中在离驱动电极12更远(从而距轴线A1更远)的位置处、在配重部14A、 14B与驱动电极23之间产生的单位面积上的静电力。因此，前述结构有利 于抑制沿着使连接有配重部14A、 14B的驱动电极12 (臂12A、 12B)弯曲 的方向作用的动量，由此防止驱动电极12的不适当变形。在微振荡元件X1中，在与振荡部10相关的轴线A1的延伸方向上，包 括在驱动电极12中的臂12A、 12B构成包含驱动电极12、 23的驱动机构的 结构的最外侧部分，并且基准电位(例如地电位)施加至包括臂12A、 12B 的驱动电极12，以便驱动微振荡元件XI。驱动电极23位于如此构造的臂 12A、 12B之间的间距L2中。这种构造便于驱动电极12的臂12A、 12B吸 收从驱动电极23发出的电场，所述电场源于在驱动微振荡元件X1时高于基 准电位的预定驱动电位。换句话说，从驱动电极23发出的电场几乎不能超 出臂12A、 12B泄漏到驱动机构之外。因此，微振荡元件XI适于在被驱动 时抑制场泄漏。这种微振荡元件X1有利于构成具有高元件密度的微振荡元 件阵列。在这种微振荡元件阵列中，可以一维或者二维地设置多个微振荡元 件X1。在微振荡元件X1中，振荡部10的驱动电极12、配重部14C，框架21 的第一层状结构21a和第二层状结构21b，以及屏蔽电极部24电连接。因此， 在驱动微振荡元件X1时，基准电位(例如地电位)施加至驱动电极12， 还施加至配重部14C、第一层状结构21a、第二层状结构21b和屏蔽电极部 24。这种构造便于配重部14C吸收从驱动电极23例如朝向焊盘部11发出的 电场，所述电场源于在驱动微振荡元件X1时高于基准电位的预定驱动电位。 换句话说，配重部14C还用作屏蔽电极部，从而使电场几乎不能例如超出配 重部14C到达焊盘部11。另外，在驱动微振荡元件X1时从驱动电极23发出的电场易于由第一层状结构21a吸收。换句话说，第一层状结构21a也用 作屏蔽电极部，从而使电场几乎不能超出框架21的第一层状结构21a而泄 漏到元件之外。此外，在驱动微振荡元件X1时从驱动电极23发出的电场易 于由第二层状结构21b吸收。换句话说，第二层状结构21b也用作屏蔽电极 部，从而使电场几乎不能超出框架21的第二层状结构21b而泄漏到元件之 外。此外，在驱动微振荡元件X1时，从驱动电极23的电极齿23a朝向例如 驱动电极12的臂12B发出的电场，或从驱动电极23的电极齿23b朝向例如 臂12A发出的电场易于由屏蔽电极部24吸收。这种场吸收效应还有助于抑 制场泄漏到微振荡元件X1之外。图8和图9示出了微振荡元件XI的制造工艺。微振荡元件XI的制造 工艺基于体微机械加工技术。图8和图9示出了在获得如图9中的(d)所 示的焊盘部L、梁部B、框架Fl和F2、连接部Cl和C2以及一组电极El 和E2之前，同一截面所发生的变化。该截面示意性地示出了多个预定部分， 这些预定部分位于待加工的材料基板(具有多层结构的晶片)上并包括在待 形成单个微振荡元件的区域中。焊盘部L对应于焊盘部11的一部分。梁部B 对应于梁部13并且表现(represent)梁部13的截面。框架F1、 F2分别对应 于框架21并且表现框架21的截面。连接部Cl对应于连接部22并且表现沿 着其延伸方向剖开的扭杆22a的截面。连接部C2对应于连接部22并且表现 扭杆22a的截面。电极E1对应于驱动电极12的一部分并且表现电极齿12a、 12b的截面。电极E2对应于驱动电极23的一部分并且表现电极齿23a、 23b 的截面。微振荡元件X1制造工艺的第一步是制备图8中的(a)所示的材料基板 100。材料基板100是具有多层结构的SOI晶片，所述多层结构包括硅层101、 102和设置在硅层101、 102之间的绝缘层103，材料基板IOO包括事先埋入 的导电孔16、 21d (未示出)。硅层101、 102由通过掺入杂质而制成导电性 的硅材料构成。适当的杂质包括p型杂质如硼，和n型杂质如磷或锑。绝缘 层103例如由氧化硅构成。硅层101的厚度例如为10nm-100iim，硅层102 的厚度例如为50pm-50C^m，绝缘层103的厚度例如为0.3pm-3pm。参照图8中的(b)，镜部lla形成于硅层101上。为形成镜部lla，执 行溅射工艺以将例如Cr (50nm)和Au (200nm)顺序地沉积在硅层101上。随后，在那些金属层上通过预定的掩模顺序地执行蚀刻工艺，以使镜部lla 图案化。对于Au，可以使用例如碘化钾一碘水溶液(potassium iodide-iodine aqueous solution)作为蚀刻溶液。对于Cr，可以使用例如硝酸铈铵(cerium(II) nitrate ammonium)水溶液作为t虫亥lj溶液。参照图8中的(c)，氧化层图案110和抗蚀图案111形成于硅层101匕而氧化层图案112形成于硅层102上。氧化层图案U0具有图10所示 的、对应于待形成于硅层101上的振荡部10 (包括焊盘部11、梁部13、驱 动电极12和配重部14A、 14B)、框架21的一部分以及屏蔽电极部24的形 状。抗蚀图案111具有对应于连接部22的形状。氧化层图案112具有图11 所示的、对应于待形成于硅层102上的框架21的一部分、驱动电极23和配 重部14C的形状。随后，参照图8中的(d)，利用氧化层图案110和抗蚀图案111作为 掩模，在硅层101上执行深反应离子蚀刻(以下为DRIE)工艺至上的预定 深度。该预定深度对应于连接部Cl、 C2的厚度，其例如为5pm。 DRIE工 艺便于基于Bosch工艺令人满意地执行各向异性蚀刻，所述Bosch工艺包括 交替重复使用SF6气体的蚀刻工艺和使用C4Fs气体的侧壁保护。在随后的 DRIE工艺中，也可以使用这种Bosch工艺。再参考图9中的(a)，去除抗蚀图案lll。为去除抗蚀图案lll，可以 使用脱模机。参照图9中的(b)，利用氧化层图案110作为掩模执行DRIE工艺，以 便在剩余地方形成连接部Cl、 C2，同时在硅层101上执行蚀刻工艺直至到 达绝缘层103。这种蚀刻工艺提供了振荡部10 (包括焊盘部L、梁部B和电 极E1)、框架21 (包括框架F1、 F2)的一部分(第一层状结构21a)、连 接部22 (包括连接部C1、 C2)以及屏蔽电极部24。随后，参照图9中的(c)，利用氧化层图案112作为掩模在硅层102 上执行DRIE工艺，直至到达绝缘层103。这种蚀刻工艺提供了框架21 (包 括框架Fl、 F2)的一部分(第二层状结构21b)、驱动电极23 (包括电极 E2)以及配重部14C。最后，参照图9中的(d)，绝缘层103的暴露区域和氧化层图案110、 112通过蚀刻而被去除。此处，可以执行干蚀刻或湿蚀刻。在采用干蚀刻的情况下，适用的蚀刻气体包括CF4和CHF3。对于湿蚀刻，可以使用例如由氟酸和氟化铵组成的缓冲氢氟酸(BHF)作为蚀刻溶液。通过这一系列工艺可以形成焊盘部L、梁部B、框架Fl、 F2、连接部 Cl、 C2以及一组电极E1、 E2，以便由此制造微振荡元件X1。图12描述了根据本发明第二实施例的微振荡元件阵列Yl。图13是沿 着图12中线xni-xni剖开的局部截面图，其示出了微振荡元件阵列Yl的 一部分。微振荡元件阵列Y1包括多个(在该实施例中为四个)微振荡元件X1。 在微振荡元件阵列Yl中，多个微振荡元件X1沿着轴线Al的方向成排(一 维)地对齐。因此，在微振荡元件阵列Yl中，多个镜部lla沿着轴线Al 的方向成排地对齐。在微振荡元件阵列Yl中，框架21的第一层状结构21a在所有微振荡元 件X1上保持连续，因此驱动电极12、振荡部10的配重部14C、框架21的 第一层状结构21a和第二层状结构21b以及所有微振荡元件XI的屏蔽电极 部24电连接。为了驱动微振荡元件阵列Yl，将预定驱动电位施加至所选的微振荡元 件XI的驱动电极23，其中将预定基准电位共电位地施力IKapplied in common) 至所有微振荡元件X1的振荡部10中的驱动电极12。因此，相应的微振荡 元件X1的振荡部IO或焊盘部11分别被驱动而振荡，以便根据需要改变由 镜部lla反射的光的方向，所述镜部lla设置在相应的微振荡元件Xl的焊 盘部11上。微振荡元件X1的驱动模式如前述实施例中所述。如参照前述实施例所述，各微振荡元件X1包括配重部14A、 14B、 14C 以便实现振荡部10的所需的重量平衡，由此便于以高精度控制振荡部10的 振荡运动中的旋转位移量。如参照前述实施例所述，在各微振荡元件XI中，驱动电极23位于臂 12A和12B之间的间距L2内，在轴线A1延伸的方向上，所述臂12A、 12B 构成驱动机构(驱动电极12、 23)的结构的最外侧部分，在驱动微振荡元件 XI时，基准电位(例如地电位)施加至所述臂12A、 12B。这种构造便于 驱动电极12的臂12A、 12B吸收从驱动电极23发出的电场，从而抑制场泄 漏。因此，在微振荡元件阵列Y1中，发生以下情况的可能性极小，S口从微振荡元件X1之一的驱动机构(驱动电极12、 23)泄漏的场不适当地影响邻近的微振荡元件XI的驱动特性。如此构造的微振荡元件阵列Yl有利于 实现多个微振荡元件XI的较窄的排列间距(alignment pitch)，进而实现多 个镜部lla的较窄的排列间距。因此，微振荡元件阵列Yl适于实现微振荡 元件X1或镜部lla的更高密度。如参照前述实施例所述，在各微振荡元件X1中，不仅驱动电极12的臂 12A和12B可以吸收电场，而且配重部14C、第一层状结构21a、第二层状 结构21b以及屏蔽电极部24也可以吸收电场。那些组件的场吸收效应还有 助于使发生以下情况的可能性最小化，即从微振荡元件阵列Yl中的微振 荡元件X1之一的驱动机构(驱动电极12、 23)泄漏的场不适当地影响邻近 的微振荡元件X1的驱动特性。图14是示出了根据本发明第三实施例的微振荡元件阵列Y2的一部分的 平面图。微振荡元件阵列Y2包括多个微振荡元件X2。在微振荡元件阵列 Y2中，多个微振荡元件X2成排(一维)地对齐。图15至图20描述了构成微振荡元件阵列Y2的微振荡元件X2。图15 是微振荡元件X2的平面图，图16是微振荡元件X2的局部平面图。图17至图20是分别沿着图15中xvn-xvn、 xvni-xvin、 xix-xix和xx-xx剖开的截面图。微振荡元件X2包括振荡部10、框架21'、 一对连接部22、驱动电极 23、屏蔽电极部24、框架31、 一对连接部32A、 32B、驱动电极33、 34以 及屏蔽电极部35、 36、 37，在该实施例中微振荡元件X2构造为微镜元件。 在此微振荡元件X通过采取利用体微机械加工技术如MEMS技术处理材料 基板而制成，所述材料基板是所谓的绝缘体上硅(SOI)晶片。材料基板具 有包括第一硅层和第二硅层以及设置在硅层之间的绝缘层的多层结构，所述 硅层通过掺入杂质而具有预定的导电性。鉴于构成微振荡元件X2的各前述 部分均基于第一硅层和第二硅层中的至少一个形成，为清楚地示出附图，源 于第一硅层并且比绝缘层更靠近观察者设置的部分在图15中以阴影线表示。 相反地，图16描述了源于第二硅层的微振荡元件X2的部分。微振荡元件X2与根据前述实施例的微振荡元件XI的不同之处在于 其包括了代替框架21的框架21'，此外还包括框架31、 一对连接部32A、32B、驱动电极33、 34以及屏蔽电极部35、 36、 37。在微振荡元件X2中的 振荡部10、 一对连接部22、驱动电极23以及屏蔽电极部24与微振荡元件 Xl中的振荡部lO、 一对连接部22、驱动电极23以及屏蔽电极部24相似。框架21'与框架21的不同之处在于第一层状结构21a包括部分21e、21f。 如图15和图17所示，部分21e通过间隙与第一层状结构21a中的周围部分 隔离开。通过穿过绝缘层21c的导电孔21g，该部分21e电连接至驱动电极 23的臂23A。如图15所示，部分21f位于框架21，的端部，并包括由图15 中的箭头D所示的方向延伸的部分。如图20所示，通过穿过绝缘层21c的 导电孔21h，该部分21f电连接至第二层状结构21b。如图18所示，框架31具有多层结构，该多层结构包括源于第一硅层的 第一层状结构31a、源于第二硅层的第二层状结构31b以及设置在第一层状 结构31a与第二层状结构31b之间的绝缘层31c。如图15和图18所示，第 一层状结构31a包括通过间隙与周围部分隔离开的部分31a'。如图16和图 18所示，第二层状结构31b包括通过间隙与周围部分隔离开的部分31b，。 这些部分31a' 、 31b'通过穿过绝缘层31c的导电孔31d电连接。如图15所示，连接部32A包括一对扭杆32a。扭杆32a源于第一硅层， 并连接至框架21'的第一层状结构21a的部分21e和框架31的第一层状结 构31a的部分31a'，由此连接框架21，与框架31。通过扭杆32a，部分21e 与部分31a'电连接。两个扭杆32a之间的间距沿从框架31朝向框架2r的 方向逐渐增加。另外，与根据前述实施例的连接部22的扭杆22a类似，扭 杆32a是薄的。如图15所示，连接部32B包括一对扭杆32b。扭杆32b源于第一硅层， 并连接至框架2r的第一层状结构21a的部分21f和框架31的第一层状结 构31a上，由此连接框架21，与框架31。通过扭杆32b，部分21f与第一层 状结构31a'的一部分电连接。两个扭杆32b之间的间距沿从框架31朝向框 架21'的方向逐渐增加。另外，与根据前述实施例的连接部22的扭杆22a 类似，扭杆32b是薄的。成对的连接部32A、 32B限定了框架21'的振荡运动的轴线A2。轴线 A2沿着由图15中箭头D所示的方向延伸。包括两个扭杆32a的连接部32A 和包括两个扭杆32b的连接部32B，适于抑制在框架2r的振荡运动中出现不合需要的位移分量，其中两个扭杆32a定向成其间的间距沿从框架31朝 向框架21，的方向逐渐增加，而两个扭杆32b定向成其间的间距沿从框架 31朝向框架21'的方向逐渐增加。驱动电极33源于第一硅层，并包括多个电极齿33a。多个电极齿33a从 框架21'的部分21f朝向驱动电极34延伸，并沿着轴线A2的延伸方向相间 隔地对齐。驱动电极34源于第二硅层，并包括臂34A和多个电极齿34a。臂34A 平行于轴线A2延伸。多个电极齿34a从臂34A朝向驱动电极33延伸，并沿 着轴线A2的延伸方向相间隔地对齐。从图16中可清楚地看出，屏蔽电极部35源于第二硅层，并且是框架21' 的第二层状结构21b的延伸部。如图19所示，屏蔽电极部35通过绝缘层38 连接至框架21'的部分21f。从图16中可清楚地看出，屏蔽电极部36源于第一硅层，并且是框架31 的第一层状结构31a的延伸部。如图19所示，屏蔽电极部36通过绝缘层39 连接至驱动电极34。屏蔽电极部36和驱动电极34彼此电隔离。从图16中可清楚地看出，屏蔽电极部37源于第二硅层，并且沿着驱动 电极34延伸。如图19所示，屏蔽电极部37通过绝缘层39连接至屏蔽电极 部36，并通过穿过绝缘层39的导电孔39a电连接。在微振荡元件X2中， 一对驱动电极12、 23构成能产生待施加至振荡部 10的驱动力的驱动机构或致动器， 一对驱动电极33、 34构成能产生待施加 至框架21'的驱动力的驱动机构或致动器。为了驱动微振荡元件X2，将预定基准电位施加至振荡部10的驱动电极 12和驱动电极33。基准电位可以经由框架31的第一层状结构31a的一部分、 连接部32B的扭杆32b、框架21，的第一层状结构21a的部分21f、导电孔 21h、框架21，的第二层状结构21b、导电孔21d (示于图6中)、框架21' 的第一层状结构21a的一部分、连接部22的扭杆22a以及振荡部10的梁部 13，施加至驱动电极12。基准电位可以经由框架31的第一层状结构31a的 一部分、连接部32B的扭杆32b以及框架21'的第一层状结构21a的部分 21f，施加至驱动电极33。基准电位例如是地电位，并优选保持处于恒定的 水平。在微振荡元件X2中，当根据需求向驱动电极23、 24施加高于基准电位 的驱动电位时，在驱动电极12、 23之间产生静电引力以使振荡部10围绕轴 线A1振荡，并在驱动电极33、 34之间产生静电引力以使框架21'振荡， 进而使振荡部10也围绕轴线A2振荡。微振荡元件X2为己知的双轴振荡元 件。驱动电位可以经由框架31的第二层状结构31b的部分31b'、导电孔 31d、框架31的第一层状结构31a的部分31a，、连接部32A的扭杆32a、 框架21，的第一层状结构21a的部分21e以及导电孔21g，施加至驱动电极 23。如上所述那样双轴地驱动框架21'和振荡部10振荡，就允许根据需要 改变由设置在焊盘部11上的镜部lla反射的光的方向。如参照前述实施例所述，基本包括根据前述实施例的微振荡元件X1的 整个结构的微振荡元件X2，使得能够以高精度控制在振荡部10的振荡运动 中的旋转位移量。如参照前述实施例所述，基本包括根据前述实施例的微振荡元件X1的 全部结构的微振荡元件X2，使得能够抑制在驱动微振荡元件X2从驱动电极 23发出的场泄漏到元件之外。微振荡元件X2还抑制在驱动微振荡元件X2时从驱动电极34发出的场 泄漏到元件之外。在微振荡元件X2中，驱动电极33和屏蔽电极部35、 36、 37电连接，从而在驱动微振荡元件X2时，将基准电位(例如地电位)施 加至驱动电极33和屏蔽电极部35、 36、 37。这种构造便于驱动电极33和屏 蔽电极部35吸收例如在驱动微振荡元件X2时从驱动电极34朝向驱动电极 33发出的电场，所述电场源于预定驱动电位高于基准电位。换句话说，这种 电场几乎不能超出驱动电极33和屏蔽电极部35泄漏出。另外，在驱动微振 荡元件X2时从驱动电极34朝向驱动电极33的相对侧发出的电场易于由屏 蔽电极部36、 37吸收。换句话说，这种电场几乎不能超出屏蔽电极部36、 37泄漏出。这种场吸收效应也有助于抑制电场泄漏到元件之外。微振荡元件阵列Y2包括多个如此构造的微振荡元件X2。在微振荡元件 阵列Y2中，多个微振荡元件X2成排地对齐，以使所有的轴线A2 (在图14 中未示出)彼此平行。在微振荡元件阵列Y2中，除了相应的部分31a'之外，框架31的第一 层状结构31a在所有的微振荡元件X2上保持连续，由此使所有微振荡元件X2的驱动电极12、振荡部10的配重部14C，框架21的第一层状结构21a 的一部分和第二层状结构21b的一部分以及屏蔽电极部24电连接。为了驱动微振荡元件阵列Y2，将预定驱动电位施加至所选的微振荡元 件X2的驱动电极23、 34，其中预定基准电位被共电位地施加至所有微振荡 元件X2的振荡部10的驱动电极12。因此，相应的微振荡元件X2的振荡部 10和框架21'被单独驱动以振荡，以便根据需要改变由镜部lla反射的光 的方向，所述镜部11a设置在相应的微振荡元件X2的焊盘部11上。如以上所述，各微振荡元件X2抑制在驱动微振荡元件X2时从驱动电 极23发出的场泄漏到元件之外。因此，在微振荡元件阵列Y2中，发生以下 情况的可能性极小，S卩从微振荡元件X2之一的驱动机构(驱动电极12、 23)泄漏的场不适当地影响邻近的微振荡元件X2的驱动特性。如以上所述， 各微振荡元件X2还抑制在驱动微振荡元件X2时从驱动电极34发出的场泄 漏到元件之外。因此，在微振荡元件阵列Y2中，发生以下情况的可能性极 小，即从微振荡元件X2之一的驱动机构(驱动电极33、 34)泄漏的场不 适当地影响邻近的微振荡元件X2的驱动特性。如此构造的微振荡元件阵列 Y2有利于实现多个双轴微振荡元件X2的较窄排列间距，由此实现了多个镜 部lla的较窄排列间距。因此，微振荡元件阵列Y2适于实现微振荡元件X2 或镜部lla的更高密度。
权利要求
1.一种微振荡元件，包括基座框架；振荡部，其包括可动功能部、连接至所述可动功能部的第一驱动电极以及在所述可动功能部的相对侧连接至第一驱动电极的配重部；连接部，其使所述基座框架与所述振荡部彼此连接，并限定所述振荡部的振荡运动的轴线；第二驱动电极，其与所述第一驱动电极配合工作产生用于振荡运动的驱动力，所述第二驱动电极固定至所述基座框架。
2. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述微振荡元件通过处理 具有多层结构的材料基板获得，所述多层结构包括第一导体层、第二导体层 以及位于所述第一导体层与所述第二导体层之间的绝缘层，并且所述可动功 能部、所述第一驱动电极和所述配重部为在所述第一导体层中形成的部分， 而第二驱动电极为在第二导体层内形成的部分。
3. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述连接部在所述可动功 能部与所述第一驱动电极之间的位置处连接至振荡部。
4. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述配重部电连接至所述 第一驱动电极。
5. 根据权利要求4所述的微振荡元件，其中在所述配重部与所述第二 驱动电极之间产生静电力。
6. 根据权利要求5所述的微振荡元件，其中在所述配重部与所述第二 驱动电极之间的间距随着远离所述第一驱动电极而逐渐增加。
7. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述第一驱动电极包括 第一臂部和第二臂部，它们平行于与所述轴线相交的方向延伸；多个从所述 第一臂部朝向所述第二臂部延伸的电极齿，它们沿着所述第一臂部的延伸方 向相间隔地对齐；以及多个从所述第二臂部朝向所述第一臂部延伸的电极 齿，它们沿着所述第二臂部的延伸方向相间隔地对齐；并且其中所述第二驱动电极包括第三臂部，其沿着所述第一臂部和所述第 二臂部延伸；多个从所述第三臂部朝向所述第一臂部延伸的电极齿，它们沿着所述第三臂部的延伸方向相间隔地对齐；以及多个从所述第三臂部朝向所 述第二臂部延伸的电极齿，它们沿着所述第三臂部的延伸方向相间隔地对齐。
8. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述振荡部还包括附加的 配重部，其在所述可动功能部与所述配重部之间的位置处连接至所述第一驱 动电极。
9. 根据权利要求8所述的微振荡元件，其中所述微振荡元件通过处理 具有多层结构的材料基板获得，所述多层结构包括第一导体层、第二导体层 以及位于所述第一导体层与所述第二导体层之间的绝缘层，其中所述可动功 能部、所述第一驱动电极和所述配重部为在所述第一导体层中形成的部分， 而所述第二驱动电极和所述附加的配重部为在所述第二导体层中形成的部 分。
10. 根据权利要求8所述的微振荡元件，其中所述附加的配重部电连接 至所述第一驱动电极。
11. 根据权利要求1所述的微振荡元件，其中所述微振荡元件还可以包括附加的框架；附加的连接部，其使所述基座框架与所述附加的框架彼此连接，并限定 沿与所述基座框架的振荡运动的轴线相交的方向延伸的、另外的轴线；以及 驱动机构，其产生使所述基座框架振荡的驱动力。
12. —种微振荡元件阵列，包括多个根据权利要求1所述的微振荡元件。
13. 根据权利要求12所述的微振荡元件阵列，其中所述各个微振荡元 件的轴线彼此平行。
14. 根据权利要求12所述的微振荡元件阵列，其中各个所述微振荡元 件的所述第一驱动电极能够接受给定的共电位，而各个所述微振荡元件的所 述第二驱动电极能够分别接受给定的不同的电位。
全文摘要
一种微振荡元件，包括基座框架、振荡部和使基座框架与振荡部彼此连接的连接部。振荡部具有可动功能部、连接至可动功能部的第一驱动电极以及连接至第一驱动电极的配重部。连接部限定振荡部的振荡运动的轴线。固定至基座框架的第二驱动电极与第一驱动电极配合工作产生用于振荡运动的驱动力。
文档编号G02B26/08GK101334526SQ20081012730
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月27日 优先权日2007年6月29日
发明者佐胁一平, 壶井修, 奥田久雄, 曾根田弘光, 松本刚, 水野义博, 高马悟觉 申请人:富士通株式会社