一種基于氮化鎵的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，屬于光通信與光微機(jī)電 系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜電驅(qū)動式微掃描鏡是利用平行板電容或梳齒電容間異性電荷間的庫侖力，通過 ?？谠O(shè)計的特定結(jié)構(gòu)驅(qū)動微掃描鏡進(jìn)行扭轉(zhuǎn)或位移。靜電驅(qū)動式微掃描鏡制作工藝易于與 1C工藝集成，易于集成檢測電路和驅(qū)動控制電路。因此，靜電驅(qū)動是應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動方 式。
[0003] 氮化嫁被稱為第Ξ代新型半導(dǎo)體材料，具有較寬的直接帶隙、很高的擊穿場強(qiáng)、很 高的熱導(dǎo)率、W及高峰值的飽和電子漂移速度等諸多優(yōu)點(diǎn)，有著很強(qiáng)的耐高溫、耐高壓W及 耐強(qiáng)福射的能力。由于氮化嫁材料在高溫、高頻、大功率下獨(dú)特的材料性質(zhì)優(yōu)勢，使其在電 子器件領(lǐng)域有可能部分取代Si和其它半導(dǎo)體材料。目前關(guān)于氮化嫁材料及其器件的研究和 應(yīng)用是全球半導(dǎo)體研究的前沿和焦點(diǎn)，它在光電子W及高溫大功率器件有著廣闊的應(yīng)用前 景。
[0004] 目前關(guān)于基于氮化嫁微驅(qū)動器的研究在國內(nèi)鮮有報道，國外的相關(guān)報導(dǎo)也比較 少，只有日本東北大學(xué)微納米研究所Kaz址iro化ne領(lǐng)導(dǎo)的小組研制出了氮化嫁基微驅(qū)動 器，但運(yùn)也說明，在MEMS器件上生長氮化嫁材料是完全可行的。
[0005] 綜上所述，人們對靜電梳狀驅(qū)動式微鏡研究已經(jīng)十分細(xì)致，許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能齊 全的梳狀微鏡已經(jīng)被研究出。但是，將微鏡技術(shù)與氮化嫁材料相結(jié)合的研究卻少有報道，基 于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡的研究更是未見公開。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 技術(shù)問題:本實用新型目的是設(shè)計出一種基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，需 設(shè)計出可利用梳狀電容之間異性電荷的庫侖力對微鏡進(jìn)行驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，還要克服氮化嫁材 料在MEMS器件上的生長難題。覆蓋了氮化嫁結(jié)構(gòu)的梳狀驅(qū)動器對微鏡的驅(qū)動效果會更加顯 著，高效。
[0007] 技術(shù)方案:基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，其結(jié)構(gòu)為在娃層圓形微鏡A的兩端 各伸出一個懸臂梁G，兩側(cè)的懸臂梁各通過一個扭轉(zhuǎn)臂固支在外框上;兩條懸臂梁的單側(cè)各 分布多個可動梳齒E，而固定梳齒D則固定在外框上，可動梳齒E和固定梳齒D在垂直方向有 一個高度差，每個可動梳齒E與固定梳齒D之間都有著相同的間隙，娃層的厚度為200μπι。在 微鏡，懸梁臂?與可動梳齒Ε的表面上，還覆蓋了一層200nm的氮化嫁結(jié)構(gòu)Β。
[000引在靜電驅(qū)動器中，有平板電容驅(qū)動方式和梳齒電容驅(qū)動方式兩種。平板電容驅(qū)動 方式結(jié)構(gòu)簡單，但存在吸合效應(yīng)，導(dǎo)致需要很高的驅(qū)動電壓。而梳齒驅(qū)動沒有吸合效應(yīng)的影 響，具有驅(qū)動電壓低，位移距離大等優(yōu)勢。
[0009]當(dāng)在可動梳齒和固定梳齒之間施加電壓U之后，可動梳齒和固定梳齒可W形成一 組平行電容板。一對電極梳齒的總電容是由梳齒重合區(qū)域的梳齒側(cè)壁形成的表面電容和梳 齒端部的邊緣電容所組成。由于梳齒端部的邊緣電容很難用解析方式來計算，故本文中忽 略不計。而整個梳齒電容器的總電容可W看作是由η對梳齒陣列單元電容并聯(lián)而成。
[0010] 在重疊區(qū)域相對的可動梳齒和固定梳齒的側(cè)壁構(gòu)成了平行板電容器，其電容與梳 齒的厚度W及可動梳齒與相鄰的固定梳齒的初始間距有關(guān)，厚度越大越好，間距越小越好。
[0011] 施加了電壓U之后，梳齒電容器會儲存電能為Ε的電勢能，電勢能會產(chǎn)生一個橫向 驅(qū)動力，對整個微鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，從而產(chǎn)生驅(qū)動位移。
[0012]有益效果
[0013] 本實用新型的設(shè)計是基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，該結(jié)構(gòu)微鏡具有W下優(yōu) 占. y ?、、·
[0014] (1)結(jié)構(gòu)簡單易設(shè)計；
[0015] (2)創(chuàng)新性的在原有靜態(tài)梳狀驅(qū)動式微鏡的基礎(chǔ)上應(yīng)用MEMS加工技術(shù)成功生長出 了氮化嫁材料結(jié)構(gòu)，而且成品制作精良；
[0016] (3)通過材料的適當(dāng)選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計，相比于一般的靜態(tài)梳狀驅(qū)動式 微鏡，更有利于微鏡的驅(qū)動。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的Ξ維結(jié)構(gòu)全圖。
[001引A:微鏡B:氮化嫁層C:單晶娃層
[0019] D:固定梳齒E:可動梳齒F:固定框架G:懸臂梁
[0020] 圖2為靜電梳齒結(jié)構(gòu)。
[0021] D:固定梳齒E:可動梳齒
[0022] 圖3為施加電壓后，該微鏡的位移分布圖。
[0023] 圖4為結(jié)合體娃與氮化嫁材料加工而成在掃描電鏡下的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本實用新型的內(nèi)容更加清晰，下面會給出詳細(xì)的實施方式和具體的操作過 程。
[0025] 本實例設(shè)計的圓形微鏡半徑為50μπι，兩側(cè)的懸臂梁長度為400μπι，每個懸臂梁上有 6個可動梳齒，可動梳齒的大小規(guī)格為75μηι*15μηι。懸臂梁兩端的彈黃長寬為100皿*10皿。7 個固定梳齒安放在框架上，每個規(guī)格為75μηι*10μηι，固定梳齒與可動梳齒之間的間隔為扣m， 娃層厚度為200μπι，氮化嫁層厚度為200nm，運(yùn)些是該微鏡的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖1所示。
[0026] 基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡的工作方式如下：如圖2所示，d為可動梳齒與 固定梳齒之間的間距，kx為彈性支撐梁的彈性系數(shù)，F(xiàn)x為可動梳齒受到的靜電力，F(xiàn)yl、Fy2為 動梳齒受到的垂直方向的上下靜電力，方向相反，Wl、W2分別為動、靜梳齒上下等效電容的靜 電勢能。當(dāng)在活動梳齒和固定梳齒之間施加250V的驅(qū)動電壓時，該微鏡的電勢分布圖如圖3 所示。此時，可動梳齒與固定梳齒之間的電勢能為：
[0027]
[002引上式中Ci、C2為動靜梳齒上下梳齒之間的等效電容。等效的靜電力Fx，F(xiàn)y為：
[0031] 由于可動梳齒與固定梳齒間距d相同，因此：
[0032]
[0033] 式中，ε〇為真空介電常數(shù)，h為動靜梳齒之間的厚度，X為可動梳齒橫向位移。由于Cl =C2，固Fyi+Fy2 = 0，所W，可動梳齒只在橫向運(yùn)動，而垂直方向位移不發(fā)生變化。橫向靜電力 Fx為：
[0034]
[0035] N為該微鏡驅(qū)動器的動靜梳齒對數(shù)，在本例中為7。由于梳齒結(jié)構(gòu)高度h，間距d均為 常數(shù)，故橫向靜電力正比于驅(qū)動電壓V的平方，大小僅與驅(qū)動電壓有關(guān)。
[0036] 設(shè)彈性支撐梁的橫向彈性系數(shù)kx為常數(shù)，則可動梳齒的橫向位移X可表示為
[0037]
[0038] 當(dāng)施加驅(qū)動電壓時，本發(fā)明基于氮化嫁的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡的橫向位移與電壓 關(guān)系如圖3所不。
[0039] 圖4為在上述實例基礎(chǔ)上，結(jié)合體娃與氮化嫁材料的加工工藝所設(shè)計出的實際結(jié) 構(gòu)圖，該實際制做出的結(jié)構(gòu)與實例基本類似，工作原理相同。在實物可動梳齒與固定梳齒兩 端施加電壓后，電壓與位移的關(guān)系圖也如圖3所示。
【主權(quán)項】
1. 基于硅基氮化鎵的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，其特征在于，包括有:微鏡(A)的兩端各伸 出一個懸臂梁(G)，懸臂梁的單側(cè)各分布多個可動梳齒(E)，固定梳齒(D)則固定在外框上 (F)，每個可動梳齒(E)與固定梳齒(D)之間都有著相同的間隙；在微鏡(A)懸梁臂(G)與可動 梳齒(E)的表面上，還覆蓋了一層氮化鎵結(jié)構(gòu)(B)。2. 如權(quán)利要求1所述的基于硅基氮化鎵的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，其特征在于，可動梳齒 (E)和固定梳齒(D)在垂直方向有一個高度差，每個可動梳齒與固定梳齒之間都有著相同的 間隙，娃層的厚度為200μηι。3. 如權(quán)利要求1所述的基于硅基氮化鎵的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡，其特征在于，覆蓋的一 層氮化鎵(Β)結(jié)構(gòu)厚度為200nm〇
【專利摘要】本實用新型是一種基于硅基氮化鎵的靜電梳狀驅(qū)動式微鏡。該微鏡是將氮化鎵材料生長在硅上,總共包含兩層，下層為襯底層，材料為硅，由可動梳齒，固定梳齒，懸臂梁，微鏡構(gòu)成,可動梳齒與固定梳齒非等高度。上層在下層的基礎(chǔ)上生長了一層薄薄的氮化鎵材料結(jié)構(gòu)。該器件工作時利用梳狀電容之間異性電荷的庫侖力對微鏡進(jìn)行驅(qū)動，由于氮化鎵材料特有的性質(zhì)，因此可以獲得較為理想的驅(qū)動效果。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易設(shè)計，創(chuàng)新性的在靜電梳狀驅(qū)動式微鏡上生長氮化鎵結(jié)構(gòu)，在光通信和MEMS領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景和參考價值。
【IPC分類】B81B3/00
【公開號】CN205151756
【申請?zhí)枴緾N201520872637
【發(fā)明人】胡芳仁, 劉昕, 劉暢安, 潘凌楠, 吳成玲
【申請人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年11月4日