专利名称：静电和电磁混合驱动全集成mems继电器及其制备方法
技术领域：
本发明属于基于MEMS技术的继电器制造范畴，特别涉及一种全集成微型静电和 电磁混合驱动的MEMS继电器及其制备方法。
背景技术：
电子器件的集成化与微小型化是当今世界技术发展的主要趋势之一。微电子机械 系统(Micro Electro Mechanical Systems简称MEMS)具有微型化、集成化、智能化等特点， 是近年来最重要的技术创新之一。由于微型MEMS继电器具有微型化、可靠性高、功耗低、成本低等突出的优点，将在 航天、航空、汽车、生物医学、环境控制和军事国防的许多领域中得到广泛的应用。微型MEMS 继电器按照其驱动方式分主要有静电型、电磁型、热驱动型等，由于驱动方式的不同其性 能也有差别。静电型专利，典型的如日本欧姆龙株式会社专利静电驱动器及使用该驱动器 的静电微动继电器等其他设备(专利号ZL02150233. 1)；中国清华大学专利MEMS电磁继 电器(申请号2007101192738)；中国北京大学专利一种基于金属钛的MEMS机械继电器的 制备方法(申请号200810M0592. 9)以及美国雷声公司专利具有液体金属接触件的微机 电微继电器(申请号01807804. 4)。上述相关专利技术所涉及的MEMS继电器的制备方法都 是通过各种途径制备尺度微小的固体微电极或将液体金属通过密封微流道加热膨胀，这些 专利从本质上仍然是单一驱动方式。受原理的限制，静电型MEMS继电器驱动电压较大，负 载电流较低，驱动力较低，但其结构较简单，制备工艺简单，适用于频率较高的应用场合。电 磁型MEMS继电器驱动电压较低，驱动力较大，但其使用频率较低，高频应用时受到限制且 集成困难，影响实际应用。热驱动型响应频率较低，为降低接触电阻，需要密封液态金属，一 旦漏液对于环境影响较大，其结构、工艺均较为复杂，成品率低。如何满足实际使用对MEMS 继电器驱动电压低、负载电流大、接触电阻小、频率响应快的要求，到目前为止，尚未提出有 效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中MEMS继电器驱动方式单一，驱动电压偏高，驱动力低，负载电流 小，集成度低，无法满足MEMS继电器实际使用要求而提出本发明。为此，本发明的主要目的 在于提供一种全集成微型静电和电磁混合驱动的MEMS继电器及其制备方法，以解决上述 问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种微型MEMS继电器的结 构。根据本发明的微型MEMS继电器包括硅一硅或硅一玻璃结构、双层线圈、永磁阵 列等结构。其中，微型MEMS继电器的整体呈现一种双层键合结构。线圈和永磁结构根据设 计可以位于硅一硅或硅一玻璃结构不同位置。其中，上述线圈为Cr/Au两层金属种子层上 电镀Au构成，永磁阵列材料采用在Cr/Au两层金属种子层上电镀CoMMnP层构成。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种微型MEMS继电器的制造 方法。根据本发明的微型MEMS继电器的工艺制造方法包括微型MEMS继电器硅一硅或 硅一玻璃结构的制备，静电驱动的上下电极的制备，电磁驱动双层线圈结构的制备，电磁驱 动永磁阵列结构的制备，微型MEMS继电器结构释放与封装。制备出的微型MEMS继电器与 现有的集成电路封装技术完全兼容，可以根据实际需要进行封装，如可通过管芯金属引线 键合、管帽常压封装或真空封装等形式完成封装。进一步地，上述硅一硅或硅一玻璃结构的制备包括通过湿法腐蚀和干法刻蚀为 硅和玻璃等材料的上电极结构形成以及下电极结构的形成。进一步地，上述线圈结构的制备包括溅射或蒸发形成线圈Cr/Au种子层以及在 种子层上电镀Au。进一步地，上述永磁阵列结构包括在Cr/Au两层金属种子层上电镀CoNiMnP层。通过本发明，采用包括以下结构的微型MEMS继电器微型MEMS继电器硅一硅或 硅一玻璃结构的制备，线圈结构的制备，永磁阵列结构的制备，微型MEMS继电器结构释放 与封装等制造方法，可以降低微型MEMS继电器驱动电压，进而达到提高微型MEMS继电器性 能指标的效果。基于本发明的微型MEMS继电器样品驱动电压小于8V，负载电流大于0. 5A，具有良 好的使用特性。
图1为硅衬底示意图；图2为衬底涂敷光刻胶示意图；图3为硅衬底台阶形成示意图；图4为衬底覆盖氧化层示意图；图5为衬底背腔形成、静电驱动上电极形成示意图；图6为玻璃片备片示意图；图7为玻璃片台阶形成示意图；图8为玻璃片台阶下、静电驱动下电极形成示意图；图9为玻璃片台阶下、双层线圈结构形成示意图；图10为硅-玻璃阳极键合示意图；图11为电镀永磁材料CoNiMnP装置示意图；图12为刻蚀穿通释放结构结构示意图；图13为所述继电器立体图:1 硅；2 :Ti/Pt/Au或Cr/Au导电层；3 =SiO2层；4 焊 盘；5 :Ti/Pt/Au或Cr/Au导电层；6 固定极板；7 :Ti/Au导电层；8 上层线圈；9 下层线 圈；10 玻璃；11 =CoNiMnP永磁体；12 支撑臂；13 活动极板。
具体实施例方式工艺流程部分(1)选用N型<100>，电阻率为2 4Ω ·πι的硅片，使用清洗液(清洗液配方按体积比混合H2SO4 H2O2 = 10 1)清洗去除硅片表面有机物以及杂质，如图1所示；(2)在硅片上均勻涂敷上一层光刻胶，为光刻做准备，如图2所示；(3)第一次光刻，干法刻蚀或KOH湿法腐蚀4 μ m台阶，去光刻胶形，形成硅背腔，如 图3所示；(4)热氧化，氧化层厚度2000人，如图4所示；(5)第二次光刻，硅片背腔底部两侧光刻。余下部分依次溅射Cr/Au或Ti/Pt/Au 层，Cr/Au 层厚度为300A/1500A、Ti/Pt/Au 层厚度为400A/300A/1500A。其中 Ti 为粘 附层，保证Ti/Pt/Au复合层与绝缘层接触平整良好，防止Ti/Pt/Au复合层脱落；Pt为阻挡 层，为防止后续键合过程Ti与Au有可能会由于高温互溶；Au为导电电极。剥离形成上电 极，缓冲氢氟酸溶液BHF(Buffer HF，体积比HF H2O2 = 1 6)漂SiO2层2000 A，露出键 合表面，如图5所示；(6)玻璃片备片与清洗，清洗步骤先用去离子水冲洗，再使用清洗液(清洗液配 方按体积比混合NH4OH H2O2 H2O = 1 2 5)，温度75至85 °C浸泡20分钟，再使用 甲醇超声清洗，后用去离子水冲洗，旋转甩干或N2气吹干，如图6所示；(7)第三次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀玻璃片2 μ m，呈”山”字型(缓冲氧化硅腐 蚀液 B0E:Buffer Oxide Etcher，体积比 NH4F HF = 6 1，腐蚀速率 1000 A/min )，形 成台阶，如图7所示；(8)在玻璃片台阶下及中间台阶上，第四次光刻，溅射Ti/Au种子层，厚度分别 为500A/2000 A，剥离，电镀Au，厚度1 μ m，形成下电极结构，Au电镀液配方14g/l的 KAu (CN)2,40g/l 的 K2HPO4,10g/l 的 KH2PO40 电解液的 pH 值 5. 8 至 6. 5，温度范围 60 °C 至 75°C，如图8所示；(9)使用双层线圈结构，可以增加器件单位面积的驱动力，淀积Si3N4绝缘层 2000A，第五次光刻，溅射Cr/Au，厚度分别为400A/1000A，剥离，电镀Au，厚度1 μ m，形成 第一层线圈，再次淀积Si3N4绝缘层2000A,第六次光刻，刻蚀定义形成引线窗口。第七次光 刻，溅射Cr/AU，厚度分别为400A/1000 A，剥离，电镀Au，厚度1 μ m，形成第二层线圈，如 图9所示；(10)硅片与玻璃片阳极键合，干法刻蚀或湿法腐蚀减薄，第八次光刻，溅射Ti/Au 种子层，厚度分别为500A/2000 A，剥离形成矩形单元种子层，电镀CoNiMnP层，键合减薄， 光刻图形化后的结构如图10所示。CoNiMnP电镀液配方23. 79g/l的CoCI2 ·6Η20，23. 77g/ 1 的 NiCI2 · 6Η20，3· 38g/l 的 MnSO4 · H2O, 23. 38g/l 的 NaCl，24. 73g/l 的 B (OH)3,4. 4g/l 的 NaH2PO2 · H20,0. 2g/l的十二烷基硫酸钠，1. Og/Ι的邻苯甲硫酰亚胺，0. 005g/l的苯亚磺酸 钠。电镀的电流密度5至lOmA/cm2，电解液的pH值3至4，电镀是在室温、搅拌、外加磁场 的环境下进行的，具体电镀CoNiMnP的装置如图11所示；(11)第九次光刻，刻蚀穿通，释放结构，如图12所示。
权利要求
1.静电和电磁混合驱动全集成MEMS继电器，其特征在于，含有硅一玻璃键合结构、线 圈、活动极板和CoNiMnP永磁体阵列，其中硅一玻璃键合结构，其中硅，是一种N型<100>，电阻率为2 4Ω · m，中间刻蚀穿通的硅片，底面有背腔，在该 背腔底面由热氧化生成的SiO2层上，溅射Ti/Pt/Au导电层，在剥离氧化层后形成上电极， 在所述N型<100>硅片中间刻蚀穿通后形成的左、右两侧表面上各电镀有一个CoNiMnP永 磁体阵列，在所述左、右两侧上各刻蚀出两个支撑上电极的支撑臂，在其中一侧硅片的背腔 底面上电镀有两个焊盘，玻璃，是一个被干法刻蚀或湿法腐蚀后形成的呈”山”字型的玻璃片，该”山”字型玻璃 片两侧的凸台部和所述N型<100>硅片背腔两侧的凸台部键合形成所述的硅-玻璃键合结 构，在所述”山”字型玻璃片两侧的凹部上、中间和凸部上溅射Ti/Au导电层，在剥离氧化层 后形成下电极结构，线圈，采用两层线圈的结构，第一层线圈称为上层线圈，由淀积在所述”山”字型玻璃片 凹部的Ti/Au导电层上的Si3N4绝缘层以及溅射在该Si3N4绝缘层上的Cr/Au导电层形成， 第二层线圈称为下层线圈，由在所述第一层线圈Cr/Au导电层上依次淀积的Si3N4绝缘层以 及溅射的Cr/Au导电层构成，所述两个焊盘与所述第一层线圈的Cr/Au导电层和第二层线 圈的Cr/Au导电层相连，活动极板，能在所述N型<100>硅片被刻蚀穿通后两个侧面上、下滑动，相对于所述” 山”字型凸台的一个端面上溅射有Ti/Pt/Au导电层。
2.根据权利要求1所述的静电和电磁混合驱动全集成MEMS继电器提出一种制备方法， 其特征在于依次含有以下步骤步骤(1)、选用N型<100>，电阻率为2 Ω .m的硅片，清洗去除硅片表面有机物及杂质；步骤( 、在所述硅片上涂光刻胶；步骤(3)、第一次光刻，用干法刻蚀出深为4μπι的台阶，再去除表面的光刻胶，形成背腔；步骤(4)、对所述硅片进行热氧化，氧化层厚度为2000Α，·步骤(5)、第二次光刻，在所述背腔两侧光刻，在底部的余下部分溅射Ti/Pt/Au层，厚 度为400A/300A/500九刻蚀氧化层后形成上电极，用缓冲氢氟酸溶液漂SW2层2000人， 露出键合表面；步骤(6)、选用一片玻璃片清洗，甩干；步骤(7)、第三次光刻，干法刻蚀所述玻璃片，沿长度方向的剖面呈”山”字型，形成深为 2μπι的台阶；步骤(8)、在所述”山”字型玻璃片的台阶底面及中间凸台进行第四次光刻，各溅射Ti/ Au层，厚度分别为500Α /2000Α，在剥离Ti/Au层后形成图形，电镀厚度1 μ m的Au后形成 下电极；步骤(9)、在所述”山”字型玻璃片的两侧和底面淀积Si3N4绝缘层2000A，第五次光刻， 溅射Cr/AU，厚度分别为400A/1000A，剥离，电镀Au，厚度1 μ m，形成第一层线圈，再次淀 积Si3N4绝缘层2000人，第六次光刻，刻蚀定义形成引线窗口，第七次光刻，溅射Cr/AU，厚度分别为400A/1000A，剥离，电镀Au，厚度1 μ m，形成第二层线圈Cr/Au，所述Cr/Au种子层 上淀积Si3N4绝缘层2000A;步骤(10)、硅片与玻璃片阳极键合，干法刻蚀或湿法腐蚀减薄，第八次光刻，溅射Ti/ Au种子层，厚度分别为500A/2000A，剥离形成矩形单元种子层，电镀C0NiMnP层，键合减 薄，光刻图形；步骤(11)、第九次光刻，刻蚀穿通，释放结构。
全文摘要
静电和电磁混合驱动全集成MEMS继电器及其制备方法属于继电器的设计制造技术领域，其特征在于(1)该继电器采用电磁和静电两种驱动方式；(2)通过键合形成硅—玻璃或硅—硅整体结构；(3)该继电器为双端固支形结构，分为上活动极板13和下固定极板6，上活动极板简称上极板和下固定极板简称下极板均为金属，可降低接触电阻；(4)在硅结构上电镀CoNiMnP形成永磁体阵列；(5)在玻璃结构上电镀Ti/Au或Cr/Au以及淀积Si3N4绝缘层，形成两层线圈结构。本发明MEMS继电器具有驱动电压低、负载电流大的特点，在电子信息、工业控制、能源管理、交通、通讯、航空航天和军用领域中应用广泛。
文档编号H01H49/00GK102142336SQ20101061762
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者尤政, 张高飞, 阮勇 申请人:清华大学