專利名稱：靜電和電磁混合驅(qū)動(dòng)全集成mems繼電器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于MEMS技術(shù)的繼電器制造范疇，特別涉及一種全集成微型靜電和 電磁混合驅(qū)動(dòng)的MEMS繼電器及其制備方法。
背景技術(shù)：
電子器件的集成化與微小型化是當(dāng)今世界技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。微電子機(jī)械 系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems簡(jiǎn)稱MEMS)具有微型化、集成化、智能化等特點(diǎn)， 是近年來(lái)最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一。由于微型MEMS繼電器具有微型化、可靠性高、功耗低、成本低等突出的優(yōu)點(diǎn)，將在 航天、航空、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制和軍事國(guó)防的許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。微型MEMS 繼電器按照其驅(qū)動(dòng)方式分主要有靜電型、電磁型、熱驅(qū)動(dòng)型等，由于驅(qū)動(dòng)方式的不同其性 能也有差別。靜電型專利，典型的如日本歐姆龍株式會(huì)社專利靜電驅(qū)動(dòng)器及使用該驅(qū)動(dòng)器 的靜電微動(dòng)繼電器等其他設(shè)備(專利號(hào)ZL02150233. 1)；中國(guó)清華大學(xué)專利MEMS電磁繼 電器(申請(qǐng)?zhí)?007101192738)；中國(guó)北京大學(xué)專利一種基于金屬鈦的MEMS機(jī)械繼電器的 制備方法(申請(qǐng)?zhí)?00810M0592. 9)以及美國(guó)雷聲公司專利具有液體金屬接觸件的微機(jī) 電微繼電器(申請(qǐng)?zhí)?1807804. 4)。上述相關(guān)專利技術(shù)所涉及的MEMS繼電器的制備方法都 是通過(guò)各種途徑制備尺度微小的固體微電極或?qū)⒁后w金屬通過(guò)密封微流道加熱膨脹，這些 專利從本質(zhì)上仍然是單一驅(qū)動(dòng)方式。受原理的限制，靜電型MEMS繼電器驅(qū)動(dòng)電壓較大，負(fù) 載電流較低，驅(qū)動(dòng)力較低，但其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制備工藝簡(jiǎn)單，適用于頻率較高的應(yīng)用場(chǎng)合。電 磁型MEMS繼電器驅(qū)動(dòng)電壓較低，驅(qū)動(dòng)力較大，但其使用頻率較低，高頻應(yīng)用時(shí)受到限制且 集成困難，影響實(shí)際應(yīng)用。熱驅(qū)動(dòng)型響應(yīng)頻率較低，為降低接觸電阻，需要密封液態(tài)金屬，一 旦漏液對(duì)于環(huán)境影響較大，其結(jié)構(gòu)、工藝均較為復(fù)雜，成品率低。如何滿足實(shí)際使用對(duì)MEMS 繼電器驅(qū)動(dòng)電壓低、負(fù)載電流大、接觸電阻小、頻率響應(yīng)快的要求，到目前為止，尚未提出有 效的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)相關(guān)技術(shù)中MEMS繼電器驅(qū)動(dòng)方式單一，驅(qū)動(dòng)電壓偏高，驅(qū)動(dòng)力低，負(fù)載電流 小，集成度低，無(wú)法滿足MEMS繼電器實(shí)際使用要求而提出本發(fā)明。為此，本發(fā)明的主要目的 在于提供一種全集成微型靜電和電磁混合驅(qū)動(dòng)的MEMS繼電器及其制備方法，以解決上述 問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種微型MEMS繼電器的結(jié) 構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的微型MEMS繼電器包括硅一硅或硅一玻璃結(jié)構(gòu)、雙層線圈、永磁陣 列等結(jié)構(gòu)。其中，微型MEMS繼電器的整體呈現(xiàn)一種雙層鍵合結(jié)構(gòu)。線圈和永磁結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè) 計(jì)可以位于硅一硅或硅一玻璃結(jié)構(gòu)不同位置。其中，上述線圈為Cr/Au兩層金屬種子層上 電鍍Au構(gòu)成，永磁陣列材料采用在Cr/Au兩層金屬種子層上電鍍CoMMnP層構(gòu)成。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種微型MEMS繼電器的制造 方法。根據(jù)本發(fā)明的微型MEMS繼電器的工藝制造方法包括微型MEMS繼電器硅一硅或 硅一玻璃結(jié)構(gòu)的制備，靜電驅(qū)動(dòng)的上下電極的制備，電磁驅(qū)動(dòng)雙層線圈結(jié)構(gòu)的制備，電磁驅(qū) 動(dòng)永磁陣列結(jié)構(gòu)的制備，微型MEMS繼電器結(jié)構(gòu)釋放與封裝。制備出的微型MEMS繼電器與 現(xiàn)有的集成電路封裝技術(shù)完全兼容，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行封裝，如可通過(guò)管芯金屬引線 鍵合、管帽常壓封裝或真空封裝等形式完成封裝。進(jìn)一步地，上述硅一硅或硅一玻璃結(jié)構(gòu)的制備包括通過(guò)濕法腐蝕和干法刻蝕為 硅和玻璃等材料的上電極結(jié)構(gòu)形成以及下電極結(jié)構(gòu)的形成。進(jìn)一步地，上述線圈結(jié)構(gòu)的制備包括濺射或蒸發(fā)形成線圈Cr/Au種子層以及在 種子層上電鍍Au。進(jìn)一步地，上述永磁陣列結(jié)構(gòu)包括在Cr/Au兩層金屬種子層上電鍍CoNiMnP層。通過(guò)本發(fā)明，采用包括以下結(jié)構(gòu)的微型MEMS繼電器微型MEMS繼電器硅一硅或 硅一玻璃結(jié)構(gòu)的制備，線圈結(jié)構(gòu)的制備，永磁陣列結(jié)構(gòu)的制備，微型MEMS繼電器結(jié)構(gòu)釋放 與封裝等制造方法，可以降低微型MEMS繼電器驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)而達(dá)到提高微型MEMS繼電器性 能指標(biāo)的效果。基于本發(fā)明的微型MEMS繼電器樣品驅(qū)動(dòng)電壓小于8V，負(fù)載電流大于0. 5A，具有良 好的使用特性。


圖1為硅襯底示意圖；圖2為襯底涂敷光刻膠示意圖；圖3為硅襯底臺(tái)階形成示意圖；圖4為襯底覆蓋氧化層示意圖；圖5為襯底背腔形成、靜電驅(qū)動(dòng)上電極形成示意圖；圖6為玻璃片備片示意圖；圖7為玻璃片臺(tái)階形成示意圖；圖8為玻璃片臺(tái)階下、靜電驅(qū)動(dòng)下電極形成示意圖；圖9為玻璃片臺(tái)階下、雙層線圈結(jié)構(gòu)形成示意圖；圖10為硅-玻璃陽(yáng)極鍵合示意圖；圖11為電鍍永磁材料CoNiMnP裝置示意圖；圖12為刻蝕穿通釋放結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為所述繼電器立體圖:1 硅；2 :Ti/Pt/Au或Cr/Au導(dǎo)電層；3 =SiO2層；4 焊 盤；5 :Ti/Pt/Au或Cr/Au導(dǎo)電層；6 固定極板；7 :Ti/Au導(dǎo)電層；8 上層線圈；9 下層線 圈；10 玻璃；11 =CoNiMnP永磁體；12 支撐臂；13 活動(dòng)極板。
具體實(shí)施例方式工藝流程部分(1)選用N型<100>，電阻率為2 4Ω ·πι的硅片，使用清洗液(清洗液配方按體積比混合H2SO4 H2O2 = 10 1)清洗去除硅片表面有機(jī)物以及雜質(zhì)，如圖1所示；(2)在硅片上均勻涂敷上一層光刻膠，為光刻做準(zhǔn)備，如圖2所示；(3)第一次光刻，干法刻蝕或KOH濕法腐蝕4 μ m臺(tái)階，去光刻膠形，形成硅背腔，如 圖3所示；(4)熱氧化，氧化層厚度2000人，如圖4所示；(5)第二次光刻，硅片背腔底部?jī)蓚?cè)光刻。余下部分依次濺射Cr/Au或Ti/Pt/Au 層，Cr/Au 層厚度為300A/1500A、Ti/Pt/Au 層厚度為400A/300A/1500A。其中 Ti 為粘 附層，保證Ti/Pt/Au復(fù)合層與絕緣層接觸平整良好，防止Ti/Pt/Au復(fù)合層脫落；Pt為阻擋 層，為防止后續(xù)鍵合過(guò)程Ti與Au有可能會(huì)由于高溫互溶；Au為導(dǎo)電電極。剝離形成上電 極，緩沖氫氟酸溶液BHF(Buffer HF，體積比HF H2O2 = 1 6)漂SiO2層2000 A，露出鍵 合表面，如圖5所示；(6)玻璃片備片與清洗，清洗步驟先用去離子水沖洗，再使用清洗液(清洗液配 方按體積比混合NH4OH H2O2 H2O = 1 2 5)，溫度75至85 °C浸泡20分鐘，再使用 甲醇超聲清洗，后用去離子水沖洗，旋轉(zhuǎn)甩干或N2氣吹干，如圖6所示；(7)第三次光刻，干法刻蝕或濕法腐蝕玻璃片2 μ m，呈”山”字型(緩沖氧化硅腐 蝕液 B0E:Buffer Oxide Etcher，體積比 NH4F HF = 6 1，腐蝕速率 1000 A/min )，形 成臺(tái)階，如圖7所示；(8)在玻璃片臺(tái)階下及中間臺(tái)階上，第四次光刻，濺射Ti/Au種子層，厚度分別 為500A/2000 A，剝離，電鍍Au，厚度1 μ m，形成下電極結(jié)構(gòu)，Au電鍍液配方14g/l的 KAu (CN)2,40g/l 的 K2HPO4,10g/l 的 KH2PO40 電解液的 pH 值 5. 8 至 6. 5，溫度范圍 60 °C 至 75°C，如圖8所示；(9)使用雙層線圈結(jié)構(gòu)，可以增加器件單位面積的驅(qū)動(dòng)力，淀積Si3N4絕緣層 2000A，第五次光刻，濺射Cr/Au，厚度分別為400A/1000A，剝離，電鍍Au，厚度1 μ m，形成 第一層線圈，再次淀積Si3N4絕緣層2000A,第六次光刻，刻蝕定義形成引線窗口。第七次光 刻，濺射Cr/AU，厚度分別為400A/1000 A，剝離，電鍍Au，厚度1 μ m，形成第二層線圈，如 圖9所示；(10)硅片與玻璃片陽(yáng)極鍵合，干法刻蝕或濕法腐蝕減薄，第八次光刻，濺射Ti/Au 種子層，厚度分別為500A/2000 A，剝離形成矩形單元種子層，電鍍CoNiMnP層，鍵合減薄， 光刻圖形化后的結(jié)構(gòu)如圖10所示。CoNiMnP電鍍液配方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的十二烷基硫酸鈉，1. Og/Ι的鄰苯甲硫酰亞胺，0. 005g/l的苯亞磺酸 鈉。電鍍的電流密度5至lOmA/cm2，電解液的pH值3至4，電鍍是在室溫、攪拌、外加磁場(chǎng) 的環(huán)境下進(jìn)行的，具體電鍍CoNiMnP的裝置如圖11所示；(11)第九次光刻，刻蝕穿通，釋放結(jié)構(gòu)，如圖12所示。
權(quán)利要求
1.靜電和電磁混合驅(qū)動(dòng)全集成MEMS繼電器，其特征在于，含有硅一玻璃鍵合結(jié)構(gòu)、線 圈、活動(dòng)極板和CoNiMnP永磁體陣列，其中硅一玻璃鍵合結(jié)構(gòu)，其中硅，是一種N型<100>，電阻率為2 4Ω · m，中間刻蝕穿通的硅片，底面有背腔，在該 背腔底面由熱氧化生成的SiO2層上，濺射Ti/Pt/Au導(dǎo)電層，在剝離氧化層后形成上電極， 在所述N型<100>硅片中間刻蝕穿通后形成的左、右兩側(cè)表面上各電鍍有一個(gè)CoNiMnP永 磁體陣列，在所述左、右兩側(cè)上各刻蝕出兩個(gè)支撐上電極的支撐臂，在其中一側(cè)硅片的背腔 底面上電鍍有兩個(gè)焊盤，玻璃，是一個(gè)被干法刻蝕或濕法腐蝕后形成的呈”山”字型的玻璃片，該”山”字型玻璃 片兩側(cè)的凸臺(tái)部和所述N型<100>硅片背腔兩側(cè)的凸臺(tái)部鍵合形成所述的硅-玻璃鍵合結(jié) 構(gòu)，在所述”山”字型玻璃片兩側(cè)的凹部上、中間和凸部上濺射Ti/Au導(dǎo)電層，在剝離氧化層 后形成下電極結(jié)構(gòu)，線圈，采用兩層線圈的結(jié)構(gòu)，第一層線圈稱為上層線圈，由淀積在所述”山”字型玻璃片 凹部的Ti/Au導(dǎo)電層上的Si3N4絕緣層以及濺射在該Si3N4絕緣層上的Cr/Au導(dǎo)電層形成， 第二層線圈稱為下層線圈，由在所述第一層線圈Cr/Au導(dǎo)電層上依次淀積的Si3N4絕緣層以 及濺射的Cr/Au導(dǎo)電層構(gòu)成，所述兩個(gè)焊盤與所述第一層線圈的Cr/Au導(dǎo)電層和第二層線 圈的Cr/Au導(dǎo)電層相連，活動(dòng)極板，能在所述N型<100>硅片被刻蝕穿通后兩個(gè)側(cè)面上、下滑動(dòng)，相對(duì)于所述” 山”字型凸臺(tái)的一個(gè)端面上濺射有Ti/Pt/Au導(dǎo)電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電和電磁混合驅(qū)動(dòng)全集成MEMS繼電器提出一種制備方法， 其特征在于依次含有以下步驟步驟(1)、選用N型<100>，電阻率為2 Ω .m的硅片，清洗去除硅片表面有機(jī)物及雜質(zhì)；步驟( 、在所述硅片上涂光刻膠；步驟(3)、第一次光刻，用干法刻蝕出深為4μπι的臺(tái)階，再去除表面的光刻膠，形成背腔；步驟(4)、對(duì)所述硅片進(jìn)行熱氧化，氧化層厚度為2000Α，·步驟(5)、第二次光刻，在所述背腔兩側(cè)光刻，在底部的余下部分濺射Ti/Pt/Au層，厚 度為400A/300A/500九刻蝕氧化層后形成上電極，用緩沖氫氟酸溶液漂SW2層2000人， 露出鍵合表面；步驟(6)、選用一片玻璃片清洗，甩干；步驟(7)、第三次光刻，干法刻蝕所述玻璃片，沿長(zhǎng)度方向的剖面呈”山”字型，形成深為 2μπι的臺(tái)階；步驟(8)、在所述”山”字型玻璃片的臺(tái)階底面及中間凸臺(tái)進(jìn)行第四次光刻，各濺射Ti/ Au層，厚度分別為500Α /2000Α，在剝離Ti/Au層后形成圖形，電鍍厚度1 μ m的Au后形成 下電極；步驟(9)、在所述”山”字型玻璃片的兩側(cè)和底面淀積Si3N4絕緣層2000A，第五次光刻， 濺射Cr/AU，厚度分別為400A/1000A，剝離，電鍍Au，厚度1 μ m，形成第一層線圈，再次淀 積Si3N4絕緣層2000人，第六次光刻，刻蝕定義形成引線窗口，第七次光刻，濺射Cr/AU，厚度分別為400A/1000A，剝離，電鍍Au，厚度1 μ m，形成第二層線圈Cr/Au，所述Cr/Au種子層 上淀積Si3N4絕緣層2000A;步驟(10)、硅片與玻璃片陽(yáng)極鍵合，干法刻蝕或濕法腐蝕減薄，第八次光刻，濺射Ti/ Au種子層，厚度分別為500A/2000A，剝離形成矩形單元種子層，電鍍C0NiMnP層，鍵合減 薄，光刻圖形；步驟(11)、第九次光刻，刻蝕穿通，釋放結(jié)構(gòu)。
全文摘要
靜電和電磁混合驅(qū)動(dòng)全集成MEMS繼電器及其制備方法屬于繼電器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于(1)該繼電器采用電磁和靜電兩種驅(qū)動(dòng)方式；(2)通過(guò)鍵合形成硅—玻璃或硅—硅整體結(jié)構(gòu)；(3)該繼電器為雙端固支形結(jié)構(gòu)，分為上活動(dòng)極板13和下固定極板6，上活動(dòng)極板簡(jiǎn)稱上極板和下固定極板簡(jiǎn)稱下極板均為金屬，可降低接觸電阻；(4)在硅結(jié)構(gòu)上電鍍CoNiMnP形成永磁體陣列；(5)在玻璃結(jié)構(gòu)上電鍍Ti/Au或Cr/Au以及淀積Si3N4絕緣層，形成兩層線圈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明MEMS繼電器具有驅(qū)動(dòng)電壓低、負(fù)載電流大的特點(diǎn)，在電子信息、工業(yè)控制、能源管理、交通、通訊、航空航天和軍用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)H01H49/00GK102142336SQ20101061762
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者尤政, 張高飛, 阮勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)