專利名稱：可變剛度梁及其制備方法、致動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可變剛度梁及其制備方法、致動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
在MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微電子機(jī)械系 統(tǒng))器件中，梁致動(dòng) 關(guān)鍵部件對(duì)器件進(jìn)行精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)操作發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，MEMS器件所用的致 動(dòng)梁都是單一剛度的，對(duì)于器件，一般情況下剛度越大的致動(dòng)梁完成相同的形變量(如位 移或扭轉(zhuǎn)角度)所需的驅(qū)動(dòng)電壓一般也越大；而剛度越小的致動(dòng)梁雖然所需驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì) 較低，但抗振動(dòng)性能較差，降低了器件的可靠性。因此，常常需要對(duì)梁的剛度作出折中設(shè)計(jì)， 器件設(shè)計(jì)上常因此而受到限制。為解決這個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題，就要求致動(dòng)梁必須具有全新的 特性以提升器件的性能，具有單片集成、自適應(yīng)性等技術(shù)特點(diǎn)是當(dāng)前MEMS器件的重要發(fā)展 方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可變剛度梁及其制備方法、致動(dòng)方法，該可變剛度梁具 有單片集成、自適應(yīng)性等技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用面廣，附加值高，可克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明提供了一種可變剛度梁，包括框架結(jié)構(gòu)；嵌套于所述框架結(jié)構(gòu)中的填充 部分；位于所述填充部分上的絕緣層；及位于所述絕緣層上的加熱部件。其中，所述框架結(jié)構(gòu)采用單晶硅材料、或多晶硅、或砷化鎵、或碳化硅、或金屬材料 制成。其中，所述填充部分為低熔點(diǎn)材料，當(dāng)所述加熱部件加熱時(shí)，所述填充部分發(fā)生固 態(tài)、液態(tài)的全部或部分轉(zhuǎn)變，從而改變?cè)摽勺儎偠攘旱膭偠?。其中，所述絕緣層采用二氧化硅或氮化硅材料制成。其中，所述加熱部件呈蛇形，其兩端設(shè)置有加熱電極。本發(fā)明還提供了一種可變剛度梁制備方法，該方法包括步驟Si.選取雙/單拋硅片；S2.在所述硅片上形成掩膜，并刻蝕深槽；S3.在所述深槽中填充低熔點(diǎn)材料，制備填充部分，并進(jìn)行平整化操作；S4.在所述填充部分上淀積絕緣材料，形成絕緣層；S5.在所述絕緣層上制作加熱部件；S6.刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成制備。其中，所述硅片厚度為100士 10微米。其中，所述所述平整化操作的方法為刻蝕或腐蝕或物理研磨。其中，所述絕緣材料為二氧化硅或氮化硅。本發(fā)明還提供了一種基于上述可變剛度梁的致動(dòng)方法，低熔點(diǎn)填充部分在熱場(chǎng)作用下，部分或全部由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)由致動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的填充部分施加形 變激勵(lì)，當(dāng)其達(dá)到所要求的形變量后，經(jīng)散熱冷卻為固態(tài)，完成致動(dòng)過(guò)程。本發(fā)明的可變剛度梁的框架結(jié)構(gòu)采用單晶硅材料制作，可以大大 減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng) 力，提高器件結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，但又不限于單晶硅材料；其制備方法可以采用常規(guī)MEMS工藝設(shè) 備，實(shí)現(xiàn)大批量制造，且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，與多種類型的MEMS器件工藝兼容，可用于不同功能 器件的致動(dòng)性能優(yōu)化；采用兼容驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)、非電路控制式可變剛度梁的MEMS器件具有無(wú) 需配套或集成高成本反饋電路、制造工藝兼容、驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高和靈活致動(dòng)等 一系列重要優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提升現(xiàn)有MEMS器件的性能，開(kāi)拓高性能MEMS器件，擴(kuò)大MEMS器件的應(yīng) 用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)_(b)為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁的工作原理示意圖；圖4(a)_(f)為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁的制備方法示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的可變剛度梁及其制備方法、致動(dòng)方法，結(jié)合附圖和實(shí)施例說(shuō)明如下。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁包括框架結(jié)構(gòu)1 ；嵌套于框 架結(jié)構(gòu)1中的填充部分2 ；位于填充部分2上的絕緣層3 ；及位于絕緣層3上的加熱部件4。 其中，框架結(jié)構(gòu)1采用單晶硅材料、或多晶硅、或砷化鎵、或碳化硅、或金屬材料制成；填充 部分2為低熔點(diǎn)材料，加熱部件4加熱時(shí)，填充部分可2發(fā)生固態(tài)、液體的全部或部分轉(zhuǎn)變， 從而改變?cè)摽勺儎偠攘旱膭偠?，為?shí)現(xiàn)可變剛度梁剛度可變的核心結(jié)構(gòu) ’絕緣層3為二氧 化硅或氮化硅材料制成；加熱部件4呈蛇形，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要作出多種形式，其兩端 設(shè)置有加熱電極41、42，其施加驅(qū)動(dòng)電壓的大小將影響填充部分2的存在狀態(tài)。圖2是該可 變剛度梁的三維結(jié)構(gòu)圖，可變剛度梁的左端作為固定端(相當(dāng)于錨點(diǎn))，梁右端是自由端， 該自由端可根據(jù)設(shè)計(jì)需要與相應(yīng)的可動(dòng)部件或錨點(diǎn)相連。本發(fā)明的可變剛度梁可用來(lái)增加器件性能的靈活性。當(dāng)加熱部件4工作且其溫度 達(dá)到或超過(guò)低熔點(diǎn)填充部分2的熔點(diǎn)時(shí)，低熔點(diǎn)填充部分2將發(fā)生相變，即從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?態(tài)，又或者固液共存的中間狀態(tài)，從而梁的剛度發(fā)生改變。當(dāng)致動(dòng)梁受到外力作用發(fā)生運(yùn)動(dòng) (如扭轉(zhuǎn)或拉伸等)時(shí)，致動(dòng)梁即可以變剛度的形式運(yùn)動(dòng)。對(duì)于MEMS器件在實(shí)際應(yīng)用中的 不同致動(dòng)需求，可變剛度梁可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，以下結(jié)合圖3 (a)-3(b)介紹 其工作原理。如圖3(a)所示，假定可變剛度梁的初始扭轉(zhuǎn)剛度為k，并且假定在未受到外界擾 動(dòng)時(shí)，梁保持初始狀態(tài)。對(duì)加熱部件4施加電壓，加熱部件4溫度升高，并通過(guò)熱傳導(dǎo)傳到 低熔點(diǎn)填充部分2，低熔點(diǎn)填充部分2狀態(tài)發(fā)生改變，從而使梁的剛度發(fā)生改變。在梁的剛度發(fā)生改變的狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)梁受到外力、外力矩等作用下，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，如 圖3(b)所示。在這一過(guò)程中，梁將在外力(或外力矩)與內(nèi)力(或內(nèi)力矩)達(dá)到平衡時(shí)停 止扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于低熔點(diǎn)填充部分2的加熱熔融狀態(tài)主要決定了梁的剛度，因此對(duì)于梁的相同的扭轉(zhuǎn)量(或其他運(yùn)動(dòng)量)，驅(qū)動(dòng)電壓可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行靈活調(diào)
iF. ο
如圖4(a)_4(e)所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的可變剛度梁制備方法包括步 驟Si.選取雙/單拋N硅片11，如圖4(a)所示，厚度為100士 10微米，該厚度也可通 過(guò)硅片減薄獲得；S2.在硅片11上形成氧化硅(或光刻膠、金屬等)掩膜，并刻蝕深槽13，深槽13 的深度定出填充部分2的深度，如圖4(b)所示；S3.在深槽13中填充低熔點(diǎn)材料，制備填充部分2，并以刻蝕或腐蝕或其他物理研 磨方法對(duì)其進(jìn)行平整化操作，如圖4(c)所示；S4.以濺射或淀積等方法在填充部分2的低熔點(diǎn)材料上淀積絕緣材料(如二氧化 硅、氮化硅等)，光刻后刻蝕或腐蝕出絕緣層圖形，如圖4(d)所示；S5.以濺射或電鍍等方式在絕緣層3上方制作金屬絲加熱部件，如圖4(e)所示；S6.如圖4(f)所示，刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，形成所需結(jié)構(gòu)，完成器件的制備。本發(fā)明還提供了一種兼容驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)、非電路控制式的MEMS單片集成靈活致動(dòng) 方法，基于上述可變剛度梁的致動(dòng)方法，其基本原理是內(nèi)嵌在致動(dòng)結(jié)構(gòu)中的低熔點(diǎn)填充 部分在熱場(chǎng)作用下，部分或全部由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，此時(shí)可變剛度梁的剛度變化主要由填 充的低熔點(diǎn)材料的熔融狀態(tài)決定，同時(shí)由致動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的填充部分施加形變激 勵(lì)，當(dāng)其達(dá)到所要求的形變量后，經(jīng)散熱冷卻為固態(tài)，完成致動(dòng)過(guò)程。鑒于熱、靜電驅(qū)動(dòng)是MEMS領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的兩種驅(qū)動(dòng)方式，本發(fā)明提出 的可變剛度梁及其制備方法適用于以上兩種驅(qū)動(dòng)方式的。其中，該可變剛度梁所具有 的單片集成、自適應(yīng)性等技術(shù)特點(diǎn)是當(dāng)前MEMS器件的重要發(fā)展方向。這種可變剛度 梁的應(yīng)用面廣，其功能具有高附加值特性，可在與現(xiàn)有主流MEMS器件(如絕緣體上硅 SOI (Silicon-On-Insulator)類等)結(jié)構(gòu)、工藝等兼容的前提下提升器件的性能與可靠性， 更可作為構(gòu)建下一代更高性能、更高精度的新型MEMS器件的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它的研究和發(fā) 展，對(duì)MEMS器件及其系統(tǒng)，特別是自由空間高精度反射類、干涉類等光MEMS器件，以及探究 相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，具有重要意義。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種可變剛度梁，包括框架結(jié)構(gòu)；嵌套于所述框架結(jié)構(gòu)中的填充部分；位于所述填充部分上的絕緣層；及位于所述絕緣層上的加熱部件。
2.如權(quán)利要求1所述的可變剛度梁，其特征在于，所述框架結(jié)構(gòu)采用單晶硅材料、或多 晶硅、或砷化鎵、或碳化硅、或金屬材料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的可變剛度梁，其特征在于，所述填充部分為低熔點(diǎn)材料，當(dāng)所述 加熱部件加熱時(shí)，所述填充部分發(fā)生固態(tài)、液態(tài)的全部或部分轉(zhuǎn)變，從而改變?cè)摽勺儎偠攘?的剛度。
4.如權(quán)利要求1所述的可變剛度梁，其特征在于，所述絕緣層采用二氧化硅或氮化硅 材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的可變剛度梁，其特征在于，所述加熱部件呈蛇形，其兩端設(shè)置有 加熱電極。
6.一種可變剛度梁制備方法，該方法包括步驟S1.選取雙/單拋硅片；S2.在所述硅片上形成掩膜，并刻蝕深槽；S3.在所述深槽中填充低熔點(diǎn)材料，制備填充部分，并進(jìn)行平整化操作；S4.在所述填充部分上淀積絕緣材料，形成絕緣層；S5.在所述絕緣層上制作加熱部件；S6.刻蝕釋放結(jié)構(gòu)，完成制備。
7.如權(quán)利要求6所述的可變剛度梁制備方法，其特征在于，所述硅片厚度為100士10微米。
8.如權(quán)利要求6所述的可變剛度梁制備方法，其特征在于，所述所述平整化操作的方 法為刻蝕或腐蝕或物理研磨。
9.如權(quán)利要求6所述的可變剛度梁制備方法，其特征在于，所述絕緣材料為二氧化硅 或氮化硅。
10.一種可變剛度梁的致動(dòng)方法，該方法基于權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的可變剛度梁， 其特征在于，低熔點(diǎn)填充部分在熱場(chǎng)作用下，部分或全部由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)由致動(dòng)結(jié) 構(gòu)對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化的填充部分施加形變激勵(lì)，當(dāng)其達(dá)到所要求的形變量后，經(jīng)散熱冷卻為 固態(tài)，完成致動(dòng)過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可變剛度梁及其制備方法、致動(dòng)方法，該可變剛度梁包括框架結(jié)構(gòu)；嵌套于所述框架結(jié)構(gòu)中的填充部分；位于所述填充部分上的絕緣層；及位于所述絕緣層上的加熱部件。本發(fā)明的可變剛度梁具有單片集成、自適應(yīng)性等技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用面廣，附加值高，可克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101830425SQ200910237298
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者吳文剛, 夏雨, 張海霞, 杜博超, 賈鯤鵬, 郝一龍, 陳慶華 申請(qǐng)人:北京大學(xué)