极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法

摘要

本发明一种极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法，所述极板结构的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构的阻尼孔，其中，所述阻尼孔的上开口面积或下开口面积大于侧开口的面积。本发明的阻尼孔可运用现有技术水平轻易制备，同时，采用这种阻尼孔的极板结构在用作面内的可动部件时，当可动部件发生相对运动时，位于两个可动部件之间的空气不再因受到束缚发生挤压，而是通过面积较小的进气口进入阻尼孔并通过面积较大的上开口或下开口迅速得到释放，从而减小了阻尼力。同时，由于阻尼孔的侧开口面积较小，使极板面积损失不致过大，不会明显降低静电力，使得采用所述极板结构的静电驱动结构能够获得较大的静电力/阻尼力比值。

权利要求

1.一种极板结构，所述极板结构的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构的阻尼孔，其中，所述阻尼孔在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口、上开口及下开口，其特征在于：所述上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积，所述侧开口作为进气口，面积大于所述侧开口面积的所述上开口或下开口作为排气口，以降低所述侧面的面积损失，从而降低静电力的损失。

2.根据权利要求1所述的极板结构，其特征在于：所述上开口或下开口的轮廓由至少三段直线围成。

3.根据权利要求2所述的极板结构，其特征在于：所述上开口或下开口的形状包括T型或梯形。

4.根据权利要求1所述的极板结构，其特征在于：所述上开口或下开口的轮廓由至少一段直线及至少一段弧线围成。

5.根据权利要求1所述的极板结构，其特征在于：所述极板结构与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔。

6.一种极板结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：提供一衬底，在所述衬底中刻蚀出凹腔结构，并在所述凹腔结构表面形成一绝缘层；

S2：提供一结构片，将所述结构片与所述衬底键合，封闭所述凹腔结构；

S3：将所述结构片减薄至制作极板结构所需的厚度；

S4：刻蚀所述结构片，在所述凹腔结构上方得到极板结构；所述极板结构的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构的阻尼孔，其中，所述阻尼孔在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口、上开口及下开口，且所述上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积，所述侧开口作为进气口，面积大于所述侧开口面积的所述上开口或下开口作为排气口，以降低所述侧面的面积损失，从而降低静电力的损失。

7.根据权利要求6所述的极板结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S4中，采用干法刻蚀得到所述阻尼孔。

8.根据权利要求6所述的极板结构的制作方法，其特征在于：所述极板结构与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔。

9.一种采用如权利要求1至权利要求5任意一项所述极板结构的静电驱动结构。

10.根据权利要求9所述的静电驱动结构，其特征在于：所述静电驱动结构包括可动电极及固定电极；所述可动电极与所述固定电极在同一平面内作相对运动。

11.根据权利要求10所述的静电驱动结构，其特征在于：所述可动电极及所述固定电极中至少有一个采用所述极板结构。

12.根据权利要求10所述的静电驱动结构，其特征在于：所述可动电极及固定电极均为叉指电极，且所述叉指电极的叉指采用所述极板结构。

说明书

极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于微机电系统执行器领域，涉及一种极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法。

背景技术

[0002] 在宏观机械中，由于空气阻尼很小，一般不予考虑，但随着器件尺度的缩小，空气阻尼的影响变得显著，为了提高器件性能，必须设法减小空气阻尼的作用。通常来说，利用真空封装可以有效的解决这个问题，但是真空封装会导致制造工艺复杂，成本高以及灵活性差等问题，因此，在真空封装之外寻找一种有效减小空气阻尼的方法成了一个急需解决的问题。

[0003] 压膜阻尼是微机电系统中常见的一种阻尼，在没有真空封装的情况下，它对间隙可变的微结构的动态特性有很大的影响。当两个可动部件的间距在微米量级时，流体(通常是空气)被束缚，当他们相对运动时就会受到阻尼力的作用。阻尼力具有高度的非线性，并且依赖于周围气体媒介，部件的几何形状以及器件的运动。在惯性MEMS器件中，阻尼力不仅决定着器件的动态响应还影响着系统的本底噪声。

[0004] 设计可动电容式结构(传感，静电驱动或二者兼备)时，压膜阻尼在系统的性能上起着至关重要的作用。因此，阻尼器的设计通常会在灵敏度，响应和噪声之间进行折衷。对于需要高Q值的器件(比如说陀螺仪)，只能采用真空封装。

[0005] 迄今为止，对平板电极的压膜阻尼研究的最多，也最典型。为了减小阻尼，通常的做法是在极板上刻蚀一些阻尼孔，以便在极板相对运动时加快气流的释放，从而减小阻力。但这种方法只适用于面外的两个极板(如图1所示)，而对面内的极板，由于技术水平无法在侧壁上刻蚀水平方向的阻尼孔，因此需要另外的解决方案。

发明内容

[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法，用于解决现有技术中面内运动的极板之间阻尼较大的问题。

[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种极板结构，所述极板结构的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构的阻尼孔，其中，所述阻尼孔在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口、上开口及下开口，且所述上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积。

[0008] 可选地，所述上开口或下开口的轮廓由至少三段直线围成。

[0009] 可选地，所述上开口或下开口的形状包括T型或梯形。

[0010] 可选地，所述上开口或下开口的轮廓由至少一段直线及至少一段弧线围成。

[0011] 可选地，所述极板结构与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔。

[0012] 本发明还提供一种极板结构的制作方法，包括如下步骤：

[0013] S1：提供一衬底，在所述衬底中刻蚀出凹腔结构，并在所述凹腔结构表面形成一绝缘层；

[0014] S2：提供一结构片，将所述结构片与所述衬底键合，封闭所述凹腔结构；

[0015] S3：将所述结构片减薄至制作极板结构所需的厚度；

[0016] S4：刻蚀所述结构片，在所述凹腔结构上方得到极板结构；所述极板结构的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构的阻尼孔，其中，所述阻尼孔在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口、上开口及下开口，且所述上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积。

[0017] 可选地，于所述步骤S4中，采用干法刻蚀得到所述阻尼孔。

[0018] 可选地，所述极板结构与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔。

[0019] 本发明还提供一种采用上述任意一项所述极板结构的静电驱动结构。

[0020] 可选地，所述静电驱动结构包括可动电极及固定电极；所述可动电极与所述固定电极在同一平面内作相对运动。

[0021] 可选地，所述可动电极及所述固定电极中至少有一个采用所述极板结构。

[0022] 可选地，所述可动电极及固定电极均为叉指电极，且所述叉指电极的叉指采用所述极板结构。

[0023] 如上所述，本发明的极板结构、采用该极板结构的静电驱动结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的极板结构中，阻尼孔上下贯穿极板结构，且在极板结构侧壁具有侧开口，且所述阻尼孔的上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积。这种阻尼孔可运用现有技术水平轻易制备，同时，采用这种阻尼孔的极板结构在用作面内的可动部件时，所述侧开口可作为进气口，所述上开口或下开口作为排气口，当可动部件发生相对运动时，位于两个可动部件之间的空气不再因受到束缚发生挤压，而是通过面积较小的进气口进入阻尼孔并通过面积较大的上开口或下开口迅速得到释放，从而减小了阻尼力。同时，由于阻尼孔的侧开口面积较小，使极板面积损失不致过大，不会明显降低静电力，使得采用所述极板结构的静电驱动结构能够获得较大的静电力/阻尼力比值，能够有效提高系统的动态特性并降低系统的本底噪声。

附图说明

[0024] 图1显示为现有技术中面外的两个极板相对运动的示意图。

[0025] 图2显示为本发明的极板结构的俯视图

[0026] 图3显示为本发明的极板结构的立体图。

[0027] 图4显示为两个采用本发明的极板结构的可动部件在面内相对运动的示意图。

[0028] 图5显示为图4所示结构的立体图。

[0029] 图6显示为直接在极板结构侧面制作一个较大的阻尼孔的示意图。

[0030] 图7至图9显示为本发明的极板结构中几种阻尼孔结构的示意图。

[0031] 图10显示为本发明的极板结构一对相对的侧面均设有所述阻尼孔的示意图。

[0032] 图11显示为本发明的极板结构的制作方法在衬底中刻蚀出凹腔结构，并在所述凹腔结构表面形成一绝缘层的示意图。

[0033] 图12显示为本发明的极板结构的制作方法提供一结构片，将所述结构片与所述衬底键合，封闭凹腔结构的示意图。

[0034] 图13显示为本发明的极板结构的制作方法将所述结构片减薄至制作极板结构所需的厚度的示意图。

[0035] 图14显示为本发明的极板结构的制作方法刻蚀所述结构片，在所述凹腔结构上方得到极板结构的示意图。

[0036] 图15显示为一种采用叉指电极的静电驱动结构，其叉指电极的叉指采用本发明的极板结构。

[0037] 元件标号说明

[0038] 1           极板结构

[0039] 101         阻尼孔

[0040] 1011        侧开口

[0041] 1012        上开口

[0042] 1013        下开口

[0043] 201         衬底

[0044] 202         凹腔结构

[0045] 203         绝缘层

[0046] 204         结构片

[0047] 3           静电驱动结构

[0048] 301         可动叉指

[0049] 302         固定叉指

[0050] 303         质量块

[0051] 304         支撑梁

[0052] 305         锚点

具体实施方式

[0053] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0054] 请参阅图2至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0055] 实施例一

[0056] 本发明提供一种极板结构，请参阅图2及图3，分别显示为该极板结构1的俯视图及立体图，如图所示，所述极板结构1的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构1的阻尼孔101，其中，所述阻尼孔101在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口1011、上开口1012及下开口1013，且所述上开口1012的面积或下开口1013的面积大于所述侧开口1011的面积。

[0057] 如图4所示，显示为两个采用本发明的极板结构的可动部件在面内相对运动的示意图。此处面内相对运动是指两个可动部件在同一平面内作相对运动。图5显示为图4所示结构的立体图。

[0058] 当没有所述阻尼孔时，可动部件作面内相对运动时，由于极板间空气的挤压，使得极板受到较大的压膜阻尼。本发明的特点是在极板结构侧面设有上下贯穿极板结构的阻尼孔，可以快速释放受挤压的空气，减小阻尼力。

[0059] 更重要的是，本发明的极板结构中，所述阻尼孔的上开口1012的面积或下开口1013的面积大于所述侧开口1011的面积。如图6所示，显示为直接在极板结构侧面制作一个较大的阻尼孔的示意图，在这种情况下虽然可以有效减小阻尼力，但由于静电力和阻尼力的大小均与极板的面积成正比，极板结构侧面较大的阻尼孔也会导致静电力减小，无法获得更大的静电力/阻尼力比值。而如图7所示，本发明的阻尼孔的上开口的面积或下开口的面积大于所述 侧开口的面积，采用这种阻尼孔的极板结构在用作面内的可动部件时，所述侧开口可作为进气口，所述上开口或下开口作为排气口，当可动部件发生相对运动时，位于两个可动部件之间的空气不再因受到束缚发生挤压，而是通过面积较小的进气口进入阻尼孔并通过面积较大的上开口或下开口迅速得到释放，从而减小了阻尼力。同时，由于阻尼孔的侧开口面积较小，使极板面积损失不致过大，不会明显降低静电力，使得采用所述极板结构的静电驱动结构能够获得较大的静电力/阻尼力比值，能够有效提高系统的动态特性并降低系统的本底噪声。

[0060] 例如，当所述阻尼孔的侧开口的面积占其所在极板结构侧面总面积的10％时，阻尼力可减小40％左右(针对阻尼孔形状如图2所示的情形，改为其它形状此数值会有浮动，范围在30％～50％之间)，静电力减小10％，假设静电力/阻尼力比值为 则增加所述阻尼孔后，新的静电力/阻尼力比值为 由此可见，可将静电力/阻尼力的比值提高1.5倍。

[0061] 作为示例，所述上开口1012或下开口1013的轮廓由至少三段直线围成。如图7及图8所示，分别显示为所述上开口或下开口的形状为T型或梯形的示意图。当然，所述上开口或下开口的轮廓也可由至少一段直线及至少一段弧线围成。如图9所示，显示为所述上开口或下开口由一段直线和一段圆弧围成的示意图。

[0062] 当然，在其它实施例中，所述上开口1012或下开口1013还可为其它形状，只要满足所述上开口1012的面积或下开口1013的面积大于所述侧开口1011的面积即可，此处不应过分限制本发明的保护范围。

[0063] 如图10所示，在另一实施例中，所述极板结构1与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔101。相对的两侧面均具有所述阻尼孔101的极板结构1适用于其两侧均具有相对运动部件的情形。

[0064] 实施例二

[0065] 本发明还提供一种极板结构的制作方法，包括如下步骤：

[0066] 如图11所示，执行步骤S1：提供一衬底201，在所述衬底201中刻蚀出凹腔结构203，并在所述凹腔结构203表面形成一绝缘层202。

[0067] 具体的，所述衬底201包括但不限于Si、Ge、SiGe等常规半导体材料。所述绝缘层202包括但不限于氧化硅、氮化硅等化合物材料。本实施例中，所述衬底201以Si衬底为例，所述绝缘层202以氧化硅为例。

[0068] 所述凹腔结构203可采用干法或湿法刻蚀得到。所述凹腔结构203的作用是为后续形成 悬空的极板结构提供一悬浮空间，其形状不受限制。

[0069] 如图12所示，执行步骤S2：提供一结构片204，将所述结构片204与所述衬底201键合，封闭所述凹腔结构203。

[0070] 具体的，所述结构片204包括但不限于Si、Ge、SiGe等常规半导体材料。本实施例中，所述结构片204优选采用Si结构片，通过硅硅键合工艺与所述衬底201键合。

[0071] 如图13所示，执行步骤S3：将所述结构片204减薄至制作极板结构所需的厚度。

[0072] 具体的，可通过研磨、湿法腐蚀或化学机械抛光减薄所述结构片204。

[0073] 如图14所示，执行步骤S4：刻蚀所述结构片204，在所述凹腔结构203上方得到极板结构1。

[0074] 本实施例中，通过干法刻蚀图形化所述结构片204，由于极板结构1下方具有预先刻蚀好的所述凹腔结构203，因此刻蚀好极板结构的同时，也实现了极板结构1的释放。

[0075] 如图2及图3所示，所述极板结构1的一侧面设有至少一个上下贯穿所述极板结构1的阻尼孔101，其中，所述阻尼孔101在所述极板结构的所述侧面、上表面及下表面的开口分别为侧开口1011、上开口1012及下开口1013，且所述上开口1012的面积或下开口1013的面积大于所述侧开口1011的面积。在另一实施例中，如图10所示，所述极板结构与所述侧面相对的另一侧面也设有所述阻尼孔101。

[0076] 本发明的极板结构的制作方法采用成熟的半导体工艺，工艺简单，易于实施。同时，由于巧妙的设计，使得阻尼孔无需水平贯穿极板结构也可有效减小阻尼力，同时，阻尼孔较小的侧面开孔也不会明显降低极板侧面积。

[0077] 实施例三

[0078] 本发明还提供一种采用实施例一种任意一项所述极板结构的静电驱动结构。

[0079] 具体的，所述静电驱动结构包括可动电极及固定电极，所述可动电极及固定电极既可采用平板电极，也可采用叉指电极。

[0080] 作为示例，所述可动电极与所述固定电极在同一平面内作相对运动，且所述可动电极及所述固定电极中至少有一个采用所述极板结构，即可以仅有可动电极采用本发明的极板结构，或者仅有固定电极采用本发明的极板结构，也可以所述可动电极及固定电极均采用本发明的极板结构。

[0081] 作为示例，如图15所示，显示为一种采用叉指电极的静电驱动结构3，其叉指电极的叉指采用本发明的极板结构。如图所示，所述静电驱动结构3包括可动叉指301、固定叉指302、质量块303、支撑梁304及锚点305，其中，所述质量块303形成于一对由锚点305固定的支 撑梁之间，所述可动叉指301分布于所述质量块303的两侧，多个所述固定叉指302由锚点所支撑，并与所述可动叉指301交替分布。

[0082] 本实施例中，所述可动叉指301、固定叉指302采用所述极板结构，可以最大程度减小阻尼力。

[0083] 以上仅为示例，在其它实施例中，本发明的极板结构也可应用于其它类型的静电驱动结构。此外，虽然本发明的极板结构特别适用于面内可动部件，但对于面外可动部件，也可采用本发明极板结构，此处不应过分限制本发明的保护范围。

[0084] 综上所述，本发明的极板结构中，阻尼孔上下贯穿极板结构，且在极板结构侧壁具有侧开口，且所述阻尼孔的上开口的面积或下开口的面积大于所述侧开口的面积。这种阻尼孔可运用现有技术水平轻易制备，同时，采用这种阻尼孔的极板结构在用作面内的可动部件时，所述侧开口可作为进气口，所述上开口或下开口作为排气口，当可动部件发生相对运动时，位于两个可动部件之间的空气不再因受到束缚发生挤压，而是通过面积较小的进气口进入阻尼孔并通过面积较大的上开口或下开口迅速得到释放，从而减小了阻尼力。同时，由于阻尼孔的侧开口面积较小，使极板面积损失不致过大，不会明显降低静电力，使得采用所述极板结构的静电驱动结构能够获得较大的静电力/阻尼力比值，能够有效提高系统的动态特性并降低系统的本底噪声。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0085] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。