專利名稱：一種mems微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法及光開關的制作方法
一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法及光開關技術領域
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)領域，涉及一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法及包含由該方法制得的雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關。
背景技術：
MEMS (Micro-electro-mechanical systems),即微機電系統(tǒng),是利用微加工技術制造出來的各種微型器件或系統(tǒng)，主要包括微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應的處理電路等，它是在融合多種微細加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。相對于傳統(tǒng)的機械，MEMS器件尺寸更小，最大的不超過lcm，甚至僅僅為幾μ m ;故采用與集成電路(IC)類似的生成技術，利用IC生產(chǎn)中的成熟技術與工藝， 進行批量生產(chǎn)，性價比相對于傳統(tǒng)“機械”制造技術會大幅度提高。MEMS器件借助成熟的半導體生產(chǎn)技術，采用硅等材料作為載體，促進各式各樣的新型微型化傳感器與驅動器的蓬勃發(fā)展。隨著器件的微型化，MEMS技術被廣泛用于微型投影儀，光開關，光可變衰減器，微型光譜儀，微型光學探頭等。
其中的光開關是一種具有一個或多個可選的傳輸端口，是對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的光學器件。隨著光纖通信網(wǎng)絡的快速發(fā)展，對光無源器件包括光開關的需求越來越大，其中光開關用來重新配置光網(wǎng)絡或增加其可靠性。 目前研究把MEMS技術用在制造光開關上面，可提高光開關的性能，同時減小器件的體積、 成本，最為重要的一點是它可以把光開關做在一塊娃片上，能夠大規(guī)模集成光開關陣列。
目前光開關有單穩(wěn)態(tài)與雙穩(wěn)態(tài)兩種，其中，單穩(wěn)態(tài)光開關是當光開關的供電電源切斷后，光開關的狀態(tài)始終倒換到默認通道，而雙穩(wěn)態(tài)光開關當切斷電源后，光開關的狀態(tài)停留在斷電前的通道；相對來說，單穩(wěn)態(tài)光開關比雙穩(wěn)態(tài)光開關原理復雜，功耗大。
為實現(xiàn)光開關的雙穩(wěn)態(tài)，采用一種彈性結構，它在外力作用下發(fā)生彈性變形，外力撤銷時不會回復至初始狀態(tài)，而是穩(wěn)定在另外一個狀態(tài)，稱這種結構為雙穩(wěn)態(tài)結構或雙穩(wěn)態(tài)機構。該結構只需要輸入完成切換狀態(tài)的能量，不需要繼續(xù)輸入能量就能維持在兩個狀態(tài)中的任意一個狀態(tài)，從而達到節(jié)能的目的。
現(xiàn)有專利文獻CN 101654216A公開的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機構，包括弧形梁、柔性彈簧、集中質量塊和基座，其中，集中質量塊固定設置于弧形梁的正中心，弧形梁的兩端分別與兩個相同結構的柔性彈簧的一端相連，兩個柔性彈簧的另一端分別與兩個相同結構的基座相連。在該發(fā)明中，其利用初始弧形MEMS結構實現(xiàn)來雙穩(wěn)態(tài)中的初始狀態(tài)，通過外力切換至另一個狀態(tài)位置。盡管上述結構也可以實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)效果，但是在切換過程中，仍需要外力的輔助作用才可以完成狀態(tài)切換，操作相對復雜，可靠性較低，也會影響裝置的響應速度。同時，該雙穩(wěn)態(tài)機構的制作需要兩個掩膜版，制作后僅是一個雙穩(wěn)態(tài)的機構，并沒有能同時制作出光路開關所需的鏡面及基座，使得在使用過程中還需要再加工或再裝配等工序，給使用帶來不便。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提出一種制作結構簡單，響應速度快，可靠性高、耗能低的 MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的方法，該制作工藝簡單易行，且微鏡面與直梁驅動臂、基座一體成型，制作精度更高。
本發(fā)明的目的之二在于提出一種光開關，該光開關的雙穩(wěn)態(tài)結構通過上述方法制作得到，該MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關操作方便，無需外力作用即可實現(xiàn)兩個狀態(tài)的切換，能耗低。
為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案
一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，包括以下步驟
步驟A :在清洗好的高阻態(tài)硅片的正面沉積第一層電介質薄膜材料，并刻蝕形成驅動臂中的第一材料結構層；
步驟B:在第一材料結構層上蒸發(fā)第一層金屬薄膜材料，并刻蝕形成金屬層，該金屬層為焊盤與驅動臂中的一層材料結構，該金屬層與步驟A中形成的第一層材料結構層形成驅動臂；
步驟C :在步驟B中形成的金屬層上濺射第二層金屬薄膜，并采用刻蝕或剝離工藝形成微鏡面；
步驟D :以微鏡面作為掩膜，在高阻態(tài)硅片的背面進行深硅刻蝕，并形成一空腔， 該空腔位于微鏡面與驅動臂的下方；
步驟E :在高阻態(tài)硅片的正面進行深硅刻蝕，并無需對其掩膜，以形成直梁雙穩(wěn)態(tài)結構；
步驟F :刻蝕完成后，冷卻至室溫，形成雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)。
進一步地，所述步驟A中的沉積的方式為PECVD，刻蝕的方法為干法或濕法刻蝕。
進一步地，所述步驟A中的第一層電介質薄膜的材料為Si02。
進一步地，所述步驟B中的金屬層為焊盤與驅動臂結構中的導體層，該金屬層的材料為Al。
進一步地，所述步驟B中的刻蝕的方法為干法刻蝕。
進一步地，所述步驟C中的第二層金屬薄膜的材料為Au。
進一步地，所述步驟F中形成的雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)為雙穩(wěn)態(tài)結構的第一穩(wěn)定狀態(tài)，所述雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構的長度之比，即h/L大于3。
進一步地，所述雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構的長度之比，即h/L大于6。
一種具有由上述方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關，包括雙穩(wěn)態(tài)結構及驅動結構，所述雙穩(wěn)態(tài)結構設置于驅動結構的上方。
進一步地，所述驅動結構的驅動方式磁場驅動或者線圈驅動方式。
本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明提出的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，包括以下步驟，步驟A :在清洗好的高阻態(tài)硅片的正面沉積第一層電介質薄膜材料，并刻蝕形成驅動臂中的第一材料結構層；步驟B :在第一材料結構層上蒸發(fā)第一層金屬薄膜材料，并刻蝕形成金屬層，該金屬層為焊盤與驅動臂中的一層材料結構，該金屬層與步驟A中形成的第一層材料結構層形成驅動臂；步驟C :在步驟B中形成的金屬層上濺射第二層金屬薄膜， 并采用刻蝕或剝離工藝形成微鏡面；步驟D :以微鏡面作為掩膜，在高阻態(tài)硅片的背面進行深硅刻蝕，并形成一空腔，該空腔位于微鏡面與驅動臂的下方；步驟E :在高阻態(tài)硅片的正面進行深硅刻蝕，并無需對其掩膜，以形成直梁雙穩(wěn)態(tài)結構；步驟F :刻蝕完成后，冷卻至室溫，形成雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)。該方法通過一體成型方式成型雙穩(wěn)態(tài)結構、微鏡面及基座，操作簡便，且加工效率高；本發(fā)明還提出一種具有由上述方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關，包括雙穩(wěn)態(tài)結構及驅動結構，所述雙穩(wěn)態(tài)結構設置于驅動結構的上方。 進一步地，所述驅動結構的驅動方式磁場驅動或者線圈驅動方式。其中，雙層梁結構上采用膨脹率不同的兩種材料，使其在加熱冷卻后自然形成第一穩(wěn)定狀態(tài)的結構，無需能量維持其狀態(tài)，降低了功耗；通過采用電磁驅動的方式，實現(xiàn)光開關在第一穩(wěn)定狀態(tài)與第二穩(wěn)定狀態(tài)之間的切換，且基于電磁驅動方式，使得雙穩(wěn)態(tài)結構組件響應速度快，該結構簡單，可靠性高、能耗低；利用半導體批量生產(chǎn)，單個器件成本低。


圖I是本發(fā)明一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作流程圖2是由圖I的方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構；
圖3是圖2中MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的A-A截面圖4是本發(fā)明的光開關結構示意圖。
圖中
I、雙穩(wěn)態(tài)結構；2、基底；3、空腔；4、第一穩(wěn)定狀態(tài)；5、第二穩(wěn)定狀態(tài)；6、制作狀態(tài)； 7、驅動結構；11、驅動臂；12、微鏡面；h、雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度；L、雙穩(wěn)態(tài)結構的長度。
具體實施方式
下面結合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明的技術方案。
如圖I 3所示，一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，包括以下步驟
步驟A :在清洗好的高阻態(tài)硅片的正面沉積第一層電介質薄膜材料，并刻蝕形成驅動臂11中的第一材料結構層；
步驟B :在第一材料結構層上蒸發(fā)第一層金屬薄膜材料，并刻蝕形成金屬層，該金屬層為焊盤與驅動臂11中的一層材料結構，該金屬層與步驟A中形成的第一層材料結構層形成驅動臂11 ;
步驟C :在步驟B中形成的金屬層上濺射第二層金屬薄膜，并采用刻蝕或剝離工藝形成微鏡面12 ；
步驟D 以微鏡面12作為掩膜，在高阻態(tài)硅片的背面進行深硅刻蝕，并形成一空腔，該空腔位于微鏡面12與驅動臂11的下方；
步驟E :在高阻態(tài)硅片的正面進行深硅刻蝕，并無需對其掩膜，以形成直梁雙穩(wěn)態(tài)結構；
步驟F :刻蝕完成后，冷卻至室溫，形成雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)。
其中，所述步驟A中的沉積的方式為PECVD，刻蝕的方法為干法或濕法刻蝕。
其中，所述步驟A中的第一層電介質薄膜的材料為SiO2。
其中，所述步驟B中的金屬層為焊盤與驅動臂中的導體層，該金屬層的材料為Al。
其中，所述步驟B中的刻蝕的方法為干法刻蝕。
其中，所述步驟C中的第二層金屬薄膜的材料為Au。
其中，所述步驟F中形成的雙穩(wěn)態(tài)結構I的初始狀態(tài)為雙穩(wěn)態(tài)結構I的第一穩(wěn)定狀態(tài)4，所述雙穩(wěn)態(tài)結構I的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構I的長度之比，即h/L大于3。
優(yōu)選的，所述雙穩(wěn)態(tài)結構I的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構I的長度之比，即h/L大于 6。
進一步地，所述步驟A與步驟B的操作過程可以調換，即先制作金屬層，再沉積第一層電介質薄膜材料，刻蝕以形成驅動臂11，使得操作過程更加簡便。
具體的，雙穩(wěn)態(tài)結構I的驅動臂11為步驟A中的第一層電介質薄膜材料和步驟B 中的第一層金屬薄膜材料組成，該第一層金屬薄膜為Al,第一層電介質薄膜材料為SiO2,上述兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，加熱雙層的雙穩(wěn)態(tài)結構的驅動臂11再冷卻時，雙層結構將會向著熱膨脹系數(shù)高的一側收縮，收縮便形成應力。而雙穩(wěn)態(tài)結構I在制作的過程中，由于制作溫度高于室溫，制作過程中，雙穩(wěn)態(tài)結構的制作狀態(tài)6為直梁結構，可以精確控制蒸發(fā)和濺射薄膜的厚度，也使得操作方便，制作成本低；當制作完成冷卻至室溫時，雙穩(wěn)態(tài)結構的驅動臂11將向著熱膨脹系數(shù)高的一方收縮形成應力，該應力使得雙穩(wěn)態(tài)結構自然形成第一穩(wěn)定狀態(tài)4與第二穩(wěn)定狀態(tài)5之中的一個狀態(tài)，無需施加外力來完成；并通過控制雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構的長度之比大于6，使得雙穩(wěn)態(tài)結構在第一穩(wěn)定狀態(tài)4與第二穩(wěn)定狀態(tài)5之間的切換容易，并保證響應速度。
上述制作過程通過沉積、蒸發(fā)、濺射、深硅刻蝕等工藝步驟，一體成型雙穩(wěn)態(tài)結構的驅動臂11、微鏡面12及基底2，使得操作簡便，加工效率高，且進一步提高加工精度。
如圖4所示，一種具有由上述方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關，包括雙穩(wěn)態(tài)結構I及驅動結構7，所述雙穩(wěn)態(tài)結構I設置于驅動結構7的上方。由于雙穩(wěn)態(tài)結構的驅動臂11與其一體成型的基底連接，并在驅動臂11與微鏡面12的下方制作成一空腔結構，將驅動結構7設置在該空腔與基底下方，驅動臂11可以在驅動結構7上方的空間收縮變形，實現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)之間的切換。
其中，所述驅動結構7的驅動方式磁場驅動或者線圈驅動方式。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方式，驅動結構7的驅動方式為磁場驅動方式，優(yōu)選的，該驅動結構7為永磁鐵，永磁鐵設置于雙穩(wěn)態(tài)結構I的下方，當給雙穩(wěn)態(tài)結構通電，由于永磁鐵的磁性作用，產(chǎn)生磁場力F，在磁場力F的作用下，產(chǎn)生垂直于雙穩(wěn)態(tài)結構的向下或向上的力，使結構發(fā)生變形，切換到第二穩(wěn)定狀態(tài)5，停止通電后，結構保持在該狀態(tài)，完成切換。 如需切換至第一穩(wěn)定狀態(tài)4時，只需改變電流的方向，進而改變磁場力的方向，使得結構受力切換至第一穩(wěn)定狀態(tài)4。無論是在第一穩(wěn)定狀態(tài)4或者第二穩(wěn)定狀態(tài)5，該結構都無需外力的支撐即可維持其狀態(tài)，大大降低了功耗。
作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方式，驅動結構7的驅動方式為線圈驅動方式，將線圈設置于雙穩(wěn)態(tài)結構I的周圍，在該雙穩(wěn)態(tài)結構的背面設置磁性材料，優(yōu)選的，該磁性材料可以通過組裝方式組裝或者電鍍工藝與雙穩(wěn)態(tài)結構結合，并將磁性材料磁化；通過改變通過線圈的電流方向即可實現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)之間的切換。
在本發(fā)明中，第一穩(wěn)定狀態(tài)4與第二穩(wěn)定狀態(tài)5所對應的微鏡面12的位置不同， 將形成不同的光路，進而實現(xiàn)開與關的不同效果。
該雙穩(wěn)態(tài)光開關采用磁場或線圈驅動，使得光開關響應速度塊，結構簡單，可靠性高；利用半導體批量生產(chǎn)工藝，單個器件成本低。
以上結合具體實施例描述了本發(fā)明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護范圍的限制?；诖颂幍慕忉專绢I域的技術人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實施方式
，這些方式都將落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟A :在清洗好的高阻態(tài)硅片的正面沉積第一層電介質薄膜材料，并刻蝕形成驅動臂中的第一材料結構層； 步驟B :在第一材料結構層上蒸發(fā)第一層金屬薄膜材料，并刻蝕形成金屬層，該金屬層為焊盤與驅動臂中的一層材料結構，該金屬層與步驟A中形成的第一層材料結構層形成驅動臂； 步驟C :在步驟B中形成的金屬層上濺射第二層金屬薄膜，并采用刻蝕或剝離工藝形成微鏡面； 步驟D :以微鏡面作為掩膜，在高阻態(tài)硅片的背面進行深硅刻蝕，并形成一空腔，該空腔位于微鏡面與驅動臂的下方； 步驟E :在高阻態(tài)硅片的正面進行深硅刻蝕，并無需對其掩膜，以形成直梁雙穩(wěn)態(tài)結構； 步驟F :刻蝕完成后，冷卻至室溫，形成雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟A中的沉積的方式為PECVD，刻蝕的方法為干法或濕法刻蝕。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟A中的第一層電介質薄膜的材料為SiO2。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟B中的金屬層為焊盤與驅動臂中的導體層，該金屬層的材料為Al。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟B中的刻蝕的方法為干法刻蝕。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟C中的第二層金屬薄膜的材料為Au。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，其特征在于，所述步驟F中形成的雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)為雙穩(wěn)態(tài)結構的第一穩(wěn)定狀態(tài)，所述雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構的長度之比，即h/L大于3。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法,其特征在于,所述雙穩(wěn)態(tài)結構的初始高度與雙穩(wěn)態(tài)結構的長度之比，即h/L大于6。
9.一種具有由權利要求I至8任一方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關，其特征在于，包括雙穩(wěn)態(tài)結構及驅動結構，所述雙穩(wěn)態(tài)結構設置于驅動結構的上方。
10.根據(jù)權利要求9所述的光開關，其特征在于，所述驅動結構的驅動方式磁場驅動或者線圈驅動方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的制作方法，包括以下步驟高阻態(tài)硅片正面沉積第一層電介質薄膜材料并刻蝕；蒸發(fā)第一層金屬薄膜材料，并刻蝕形成金屬層；濺射第二層金屬薄膜并刻蝕形成微鏡面；硅片背面深硅刻蝕，形成一空腔；高阻態(tài)硅片正面深硅刻蝕；刻蝕完成后，冷卻至室溫，形成雙穩(wěn)態(tài)結構的初始狀態(tài)。一種具有由上述方法制作得到的MEMS微鏡雙穩(wěn)態(tài)結構的光開關，包括雙穩(wěn)態(tài)結構及驅動結構，所述雙穩(wěn)態(tài)結構設置于驅動結構的上方。該制作工藝簡單易行，且微鏡面與直梁驅動臂、基座一體成型，制作精度更高；該光開關操作方便，利用電磁驅動實現(xiàn)兩個狀態(tài)之間的切換，響應速度快，可靠性高，能耗低。
文檔編號B81B7/02GK102928977SQ20121040998
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權日2012年10月24日
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