专利名称：一种mems微镜双稳态结构的制作方法及光开关的制作方法
一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及光开关技术领域
本发明属于微机电系统领域，涉及一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及包含由该方法制得的双稳态结构的光开关。
背景技术：
MEMS (Micro-electro-mechanical systems),即微机电系统,是利用微加工技术制造出来的各种微型器件或系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。相对于传统的机械，MEMS器件尺寸更小，最大的不超过lcm，甚至仅仅为几μ m ;故采用与集成电路(IC)类似的生成技术，利用IC生产中的成熟技术与工艺， 进行批量生产，性价比相对于传统“机械”制造技术会大幅度提高。MEMS器件借助成熟的半导体生产技术，采用硅等材料作为载体，促进各式各样的新型微型化传感器与驱动器的蓬勃发展。随着器件的微型化，MEMS技术被广泛用于微型投影仪，光开关，光可变衰减器，微型光谱仪，微型光学探头等。
其中的光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口，是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。随着光纤通信网络的快速发展，对光无源器件包括光开关的需求越来越大，其中光开关用来重新配置光网络或增加其可靠性。 目前研究把MEMS技术用在制造光开关上面，可提高光开关的性能，同时减小器件的体积、 成本，最为重要的一点是它可以把光开关做在一块娃片上，能够大规模集成光开关阵列。
目前光开关有单稳态与双稳态两种，其中，单稳态光开关是当光开关的供电电源切断后，光开关的状态始终倒换到默认通道，而双稳态光开关当切断电源后，光开关的状态停留在断电前的通道；相对来说，单稳态光开关比双稳态光开关原理复杂，功耗大。
为实现光开关的双稳态，采用一种弹性结构，它在外力作用下发生弹性变形，外力撤销时不会回复至初始状态，而是稳定在另外一个状态，称这种结构为双稳态结构或双稳态机构。该结构只需要输入完成切换状态的能量，不需要继续输入能量就能维持在两个状态中的任意一个状态，从而达到节能的目的。
现有专利文献CN 101654216A公开的弧形MEMS柔顺双稳态机构，包括弧形梁、柔性弹簧、集中质量块和基座，其中，集中质量块固定设置于弧形梁的正中心，弧形梁的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧的一端相连，两个柔性弹簧的另一端分别与两个相同结构的基座相连。在该发明中，其利用初始弧形MEMS结构实现来双稳态中的初始状态，通过外力切换至另一个状态位置。尽管上述结构也可以实现双稳态效果，但是在切换过程中，仍需要外力的辅助作用才可以完成状态切换，操作相对复杂，可靠性较低，也会影响装置的响应速度。同时，该双稳态机构的制作需要两个掩膜版，制作后仅是一个双稳态的机构，并没有能同时制作出光路开关所需的镜面及基座，使得在使用过程中还需要再加工或再装配等工序，给使用带来不便。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种制作结构简单，响应速度快，可靠性高、耗能低的 MEMS微镜双稳态结构的方法，该制作工艺简单易行，且微镜面与直梁驱动臂、基座一体成型，制作精度更高。
本发明的目的之二在于提出一种光开关，该光开关的双稳态结构通过上述方法制作得到，该MEMS微镜双稳态结构的光开关操作方便，无需外力作用即可实现两个状态的切换，能耗低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案
一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，包括以下步骤
步骤A :在清洗好的高阻态硅片的正面沉积第一层电介质薄膜材料，并刻蚀形成驱动臂中的第一材料结构层；
步骤B:在第一材料结构层上蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层，该金属层为焊盘与驱动臂中的一层材料结构，该金属层与步骤A中形成的第一层材料结构层形成驱动臂；
步骤C :在步骤B中形成的金属层上溅射第二层金属薄膜，并采用刻蚀或剥离工艺形成微镜面；
步骤D :以微镜面作为掩膜，在高阻态硅片的背面进行深硅刻蚀，并形成一空腔， 该空腔位于微镜面与驱动臂的下方；
步骤E :在高阻态硅片的正面进行深硅刻蚀，并无需对其掩膜，以形成直梁双稳态结构；
步骤F :刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。
进一步地，所述步骤A中的沉积的方式为PECVD，刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀。
进一步地，所述步骤A中的第一层电介质薄膜的材料为Si02。
进一步地，所述步骤B中的金属层为焊盘与驱动臂结构中的导体层，该金属层的材料为Al。
进一步地，所述步骤B中的刻蚀的方法为干法刻蚀。
进一步地，所述步骤C中的第二层金属薄膜的材料为Au。
进一步地，所述步骤F中形成的双稳态结构的初始状态为双稳态结构的第一稳定状态，所述双稳态结构的初始高度与双稳态结构的长度之比，即h/L大于3。
进一步地，所述双稳态结构的初始高度与双稳态结构的长度之比，即h/L大于6。
一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。
进一步地，所述驱动结构的驱动方式磁场驱动或者线圈驱动方式。
本发明的有益效果为本发明提出的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，包括以下步骤，步骤A :在清洗好的高阻态硅片的正面沉积第一层电介质薄膜材料，并刻蚀形成驱动臂中的第一材料结构层；步骤B :在第一材料结构层上蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层，该金属层为焊盘与驱动臂中的一层材料结构，该金属层与步骤A中形成的第一层材料结构层形成驱动臂；步骤C :在步骤B中形成的金属层上溅射第二层金属薄膜， 并采用刻蚀或剥离工艺形成微镜面；步骤D :以微镜面作为掩膜，在高阻态硅片的背面进行深硅刻蚀，并形成一空腔，该空腔位于微镜面与驱动臂的下方；步骤E :在高阻态硅片的正面进行深硅刻蚀，并无需对其掩膜，以形成直梁双稳态结构；步骤F :刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。该方法通过一体成型方式成型双稳态结构、微镜面及基座，操作简便，且加工效率高；本发明还提出一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。 进一步地，所述驱动结构的驱动方式磁场驱动或者线圈驱动方式。其中，双层梁结构上采用膨胀率不同的两种材料，使其在加热冷却后自然形成第一稳定状态的结构，无需能量维持其状态，降低了功耗；通过采用电磁驱动的方式，实现光开关在第一稳定状态与第二稳定状态之间的切换，且基于电磁驱动方式，使得双稳态结构组件响应速度快，该结构简单，可靠性高、能耗低；利用半导体批量生产，单个器件成本低。
图I是本发明一种MEMS微镜双稳态结构的制作流程图2是由图I的方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构；
图3是图2中MEMS微镜双稳态结构的A-A截面图4是本发明的光开关结构示意图。
图中
I、双稳态结构；2、基底；3、空腔；4、第一稳定状态；5、第二稳定状态；6、制作状态； 7、驱动结构；11、驱动臂；12、微镜面；h、双稳态结构的初始高度；L、双稳态结构的长度。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本发明的技术方案。
如图I 3所示，一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，包括以下步骤
步骤A :在清洗好的高阻态硅片的正面沉积第一层电介质薄膜材料，并刻蚀形成驱动臂11中的第一材料结构层；
步骤B :在第一材料结构层上蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层，该金属层为焊盘与驱动臂11中的一层材料结构，该金属层与步骤A中形成的第一层材料结构层形成驱动臂11 ;
步骤C :在步骤B中形成的金属层上溅射第二层金属薄膜，并采用刻蚀或剥离工艺形成微镜面12 ；
步骤D 以微镜面12作为掩膜，在高阻态硅片的背面进行深硅刻蚀，并形成一空腔，该空腔位于微镜面12与驱动臂11的下方；
步骤E :在高阻态硅片的正面进行深硅刻蚀，并无需对其掩膜，以形成直梁双稳态结构；
步骤F :刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。
其中，所述步骤A中的沉积的方式为PECVD，刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀。
其中，所述步骤A中的第一层电介质薄膜的材料为SiO2。
其中，所述步骤B中的金属层为焊盘与驱动臂中的导体层，该金属层的材料为Al。
其中，所述步骤B中的刻蚀的方法为干法刻蚀。
其中，所述步骤C中的第二层金属薄膜的材料为Au。
其中，所述步骤F中形成的双稳态结构I的初始状态为双稳态结构I的第一稳定状态4，所述双稳态结构I的初始高度与双稳态结构I的长度之比，即h/L大于3。
优选的，所述双稳态结构I的初始高度与双稳态结构I的长度之比，即h/L大于 6。
进一步地，所述步骤A与步骤B的操作过程可以调换，即先制作金属层，再沉积第一层电介质薄膜材料，刻蚀以形成驱动臂11，使得操作过程更加简便。
具体的，双稳态结构I的驱动臂11为步骤A中的第一层电介质薄膜材料和步骤B 中的第一层金属薄膜材料组成，该第一层金属薄膜为Al,第一层电介质薄膜材料为SiO2,上述两种材料的热膨胀系数不同，加热双层的双稳态结构的驱动臂11再冷却时，双层结构将会向着热膨胀系数高的一侧收缩，收缩便形成应力。而双稳态结构I在制作的过程中，由于制作温度高于室温，制作过程中，双稳态结构的制作状态6为直梁结构，可以精确控制蒸发和溅射薄膜的厚度，也使得操作方便，制作成本低；当制作完成冷却至室温时，双稳态结构的驱动臂11将向着热膨胀系数高的一方收缩形成应力，该应力使得双稳态结构自然形成第一稳定状态4与第二稳定状态5之中的一个状态，无需施加外力来完成；并通过控制双稳态结构的初始高度与双稳态结构的长度之比大于6，使得双稳态结构在第一稳定状态4与第二稳定状态5之间的切换容易，并保证响应速度。
上述制作过程通过沉积、蒸发、溅射、深硅刻蚀等工艺步骤，一体成型双稳态结构的驱动臂11、微镜面12及基底2，使得操作简便，加工效率高，且进一步提高加工精度。
如图4所示，一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构I及驱动结构7，所述双稳态结构I设置于驱动结构7的上方。由于双稳态结构的驱动臂11与其一体成型的基底连接，并在驱动臂11与微镜面12的下方制作成一空腔结构，将驱动结构7设置在该空腔与基底下方，驱动臂11可以在驱动结构7上方的空间收缩变形，实现两个稳态之间的切换。
其中，所述驱动结构7的驱动方式磁场驱动或者线圈驱动方式。
作为本发明的一种优选方式，驱动结构7的驱动方式为磁场驱动方式，优选的，该驱动结构7为永磁铁，永磁铁设置于双稳态结构I的下方，当给双稳态结构通电，由于永磁铁的磁性作用，产生磁场力F，在磁场力F的作用下，产生垂直于双稳态结构的向下或向上的力，使结构发生变形，切换到第二稳定状态5，停止通电后，结构保持在该状态，完成切换。 如需切换至第一稳定状态4时，只需改变电流的方向，进而改变磁场力的方向，使得结构受力切换至第一稳定状态4。无论是在第一稳定状态4或者第二稳定状态5，该结构都无需外力的支撑即可维持其状态，大大降低了功耗。
作为本发明的另一种优选方式，驱动结构7的驱动方式为线圈驱动方式，将线圈设置于双稳态结构I的周围，在该双稳态结构的背面设置磁性材料，优选的，该磁性材料可以通过组装方式组装或者电镀工艺与双稳态结构结合，并将磁性材料磁化；通过改变通过线圈的电流方向即可实现两个稳态之间的切换。
在本发明中，第一稳定状态4与第二稳定状态5所对应的微镜面12的位置不同， 将形成不同的光路，进而实现开与关的不同效果。
该双稳态光开关采用磁场或线圈驱动，使得光开关响应速度块，结构简单，可靠性高；利用半导体批量生产工艺，单个器件成本低。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式
，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤A :在清洗好的高阻态硅片的正面沉积第一层电介质薄膜材料，并刻蚀形成驱动臂中的第一材料结构层； 步骤B :在第一材料结构层上蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层，该金属层为焊盘与驱动臂中的一层材料结构，该金属层与步骤A中形成的第一层材料结构层形成驱动臂； 步骤C :在步骤B中形成的金属层上溅射第二层金属薄膜，并采用刻蚀或剥离工艺形成微镜面； 步骤D :以微镜面作为掩膜，在高阻态硅片的背面进行深硅刻蚀，并形成一空腔，该空腔位于微镜面与驱动臂的下方； 步骤E :在高阻态硅片的正面进行深硅刻蚀，并无需对其掩膜，以形成直梁双稳态结构； 步骤F :刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。
2.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤A中的沉积的方式为PECVD，刻蚀的方法为干法或湿法刻蚀。
3.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤A中的第一层电介质薄膜的材料为SiO2。
4.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B中的金属层为焊盘与驱动臂中的导体层，该金属层的材料为Al。
5.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤B中的刻蚀的方法为干法刻蚀。
6.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤C中的第二层金属薄膜的材料为Au。
7.根据权利要求I所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，其特征在于，所述步骤F中形成的双稳态结构的初始状态为双稳态结构的第一稳定状态，所述双稳态结构的初始高度与双稳态结构的长度之比，即h/L大于3。
8.根据权利要求7所述的一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法,其特征在于,所述双稳态结构的初始高度与双稳态结构的长度之比，即h/L大于6。
9.一种具有由权利要求I至8任一方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，其特征在于，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。
10.根据权利要求9所述的光开关，其特征在于，所述驱动结构的驱动方式磁场驱动或者线圈驱动方式。
全文摘要
本发明公开了一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法，包括以下步骤高阻态硅片正面沉积第一层电介质薄膜材料并刻蚀；蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层；溅射第二层金属薄膜并刻蚀形成微镜面；硅片背面深硅刻蚀，形成一空腔；高阻态硅片正面深硅刻蚀；刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。该制作工艺简单易行，且微镜面与直梁驱动臂、基座一体成型，制作精度更高；该光开关操作方便，利用电磁驱动实现两个状态之间的切换，响应速度快，可靠性高，能耗低。
文档编号B81B7/02GK102928977SQ20121040998
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者陈巧, 谢会开 申请人:无锡微奥科技有限公司