微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103552973 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103552973 A (21)申请号 201310565297.1 (22)申请日 2013.11.14 B81B 3/00(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市四牌楼 2 号 (72)发明人 唐洁影 王磊 蒋明霞 (74)专利代理机构 江苏永衡昭辉律师事务所 32250 代理人 王斌 (54) 发明名称 微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微 悬臂梁结构 (57) 摘要 本发明公开了一种微机械系统中带有热驱动 粘附消除机构的微悬臂梁结构， 包括衬底、 通

2、过锚 区连接在衬底上的悬臂梁、 用于静电激励的下拉 电极、 衬底接触电极和粘附消除机构。所述粘附 消除机构位于悬臂梁的末端， 由一根与悬臂梁末 端垂直连接的直梁、 与该直梁两端垂直连接的横 梁、 以及与所述横梁两端分别垂直连接的纵向臂 构成。该粘附消除机构通过热驱动方式消除悬臂 梁在加工和使用中的粘附现象。本发明还公开了 粘附消除机构的具体工作方式， 方便可行。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103552973 A CN 103

3、552973 A 1/1 页 2 1. 一种微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构， 包括衬底 （1） 、 锚区 （2） 、 悬臂梁 （3） 、 位于悬臂梁中部下方的下拉电极 （4） 、 位于悬臂梁末端下方的衬底接触电 极 （5） ， 所述悬臂梁的一端通过锚区 （2） 连接在衬底 （1） 上， 所述下拉电极 （4） 和衬底接触电 极 （5） 均固定连接在衬底 （1） 的顶面， 其特征在于 ： 还包括粘附消除机构 （6） 和与该粘附消 除机构相连的锚区 （61、 62、 63、 64） ， 所述粘附消除机构 （6） 由一根与悬臂梁末端垂直连接 的直梁 （67） 、 与该直梁两端垂直连接

4、的横梁 （65、 66） 、 以及与所述横梁 （65、 66） 两端分别垂 直连接的纵向臂 （651、 652、 661、 662） 构成， 所述的粘附消除机构 （6） 通过纵向臂末端与对 称分布在直梁两侧的锚区 （61、 62、 63、 64） 相连而悬挂在衬底 （1） 上方。 权 利 要 求 书 CN 103552973 A 2 1/3 页 3 微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构 技术领域 0001 本发明涉及一种微机械系统 （文中简称 MEMS） 加工和使用过程中的可靠性处理的 技术领域。具体来说， 涉及一种微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构。 背景技术 00

5、02 MEMS 器件最主要的特征是含有可动结构， MEMS 传感器和执行器通常通过可动结 构的运动实现机 - 电间的转换。相对于宏观机电传感器来说， MEMS 技术具有灵敏度高和噪 声低的优点。但是， MEMS 可动结构往往在加工、 运输或使用过程中因一些偶然的过冲行为 造成两表面相互粘连， 导致器件无法正常工作。因此， 对于 MEMS 可动结构， 设计一个能够消 除粘附的附加机构， 有一定的实用意义。 0003 目前， 在结构设计中常采用止挡结构或衬底带有凸点的方式来防止粘附的发生， 取得良好效果。但是， 它们也存在一定的局限性， 前者限制了可动结构的运动范围， 后者在 减小接触面积、 降低

6、粘附风险的同时会使接触电阻变大， 影响器件特性。因此， 对 MEMS 可动 结构提供一个消除粘附的附属机构， 不失为一种方便且实用的方式。 发明内容 0004 针对上述目前用来防止粘附的措施所存在的局限， 本发明提供了一种带有粘附消 除机构的微悬臂梁结构， 该结构在发生粘附时， 可利用自带的粘附消除机构通过热驱动方 式消除粘附现象， 同时本发明还提供该结构消除粘附的具体工作方式， 方便可行。 0005 为实现解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是 ： 一种微机械系统中带有热驱动粘附消除机构的微悬臂梁结构， 包括衬底、 锚区、 悬臂 梁、 位于悬臂梁中部下方的下拉电极、 位于悬臂梁末端下方的

7、衬底接触电极， 所述悬臂梁的 一端通过锚区连接在衬底上， 所述下拉电极和衬底接触电极均固定连接在衬底的顶面， 其 特征在于 ： 还包括粘附消除机构和与该粘附消除机构相连的锚区， 所述粘附消除机构由一 根与悬臂梁末端垂直连接的直梁、 与该直梁两端垂直连接的横梁、 以及与所述横梁两端分 别垂直连接的纵向臂构成， 所述的粘附消除机构通过纵向臂末端与对称分布在直梁两侧的 锚区相连而悬挂在衬底上方。 0006 上述的微机械系统中带有粘附消除机构的微悬臂梁结构， 消除粘附的方法如下 ： 1） 当悬臂梁末端与衬底相接触而无法脱离衬底弹起， 则发生了粘附。通过测量衬底接 触电极和悬臂梁之间的电阻， 判断粘附与

8、否。 0007 2） 对于发生粘附的悬臂梁结构， 启动附加的粘附消除机构。对附加的粘附消除机 构中的纵向臂施加相同的电压， 使电流通过粘附消除机构。 由于热膨胀效应， 纵向臂必然向 非固支端方向伸展， 从而带动中间直梁也向两端拉伸。 0008 3） 由于中间直梁垂直于悬臂梁， 且与悬臂梁末端相连， 因此， 当中间直梁在拉伸力 的作用下处于紧绷状态时， 粘附于衬底上的悬臂梁的末端受到一个向上提拉的力， 促使悬 臂梁末端脱离衬底。 说 明 书 CN 103552973 A 3 2/3 页 4 0009 4） 测量衬底接触电极和悬臂梁之间的电阻， 判断粘附是否消除。 当粘附消除后， 去 除纵向臂上施

9、加的电压， 恢复正常状态。 0010 本发明对于常用的 MEMS 可动粱， 在设计时附加一个粘附消除机构， 用以消除粘附 故障。本发明的有益效果在于 ： 当可动悬臂梁发生粘附时， 启动粘附消除机构。通过热驱动 方式， 在热膨胀效应的作用下， 实现悬臂梁的粘附消除。由于， 粘附消除机构的工作原理简 单， 启动方便， 且对加工工艺无额外要求。因此， 本发明提供的结构切实可行。 附图说明 0011 图 1 为本发明的结构示意图。 0012 图 2 为本发明中省却悬臂梁 3 和附加粘附消除机构 6 后的结构示意图。 0013 图中有 ： 衬底 1、 悬臂梁 2、 锚区 3、 下拉电极 4、 衬底接触电

10、极 5、 粘附消除机构 6。 具体实施方式 0014 下面结合附图， 对本发明的技术方案进行详细的说明。 0015 如图 1 和图 2 所示， 本发明的一种微机械系统中带有粘附消除机构的微悬臂梁结 构， 其特征在于 ： 所述的测量结构包括衬底1、 锚区2、 悬臂梁3、 用于静电激励的下拉电极4、 衬底接触电极 5、 粘附消除机构 6。所述悬臂梁 3 通过锚区 2 连接在衬底 1 上。 0016 如图 1 和图 2 所示， 粘附消除机构 6 位于悬臂梁 3 的末端， 由一根与悬臂梁末端垂 直连接的直梁67、 与该直梁两端垂直连接的横梁65、 66， 以及与所述横梁65、 66两端分别垂 直连接的

11、纵向臂 651、 652、 661、 662 构成， 所述的粘附消除机构 6 通过纵向臂末端与对称分 布在横梁两侧的锚区 61、 62、 63、 64 相连而悬挂在衬底 1 上方。 0017 该微悬臂梁结构中的衬底 1 用单晶硅制成。悬臂梁 3 和粘附消除机构 6 中的横梁 65、 66 以及直梁 67 的材料相同， 可以是掺杂的多晶硅或单晶硅梁， 也可以是金属梁。下拉 电极 4、 接触电极 5 均为金属材料制成 （金或铝） 。粘附消除机构 6 中的直梁 67 为窄粱， 窄粱 67 的宽度与悬臂梁的宽度之比一般小于 1/2， 这样较低的刚度能够降低对悬臂梁动作的影 响， 也易于伸展而满足消除粘

12、附的要求。 0018 粘附消除机构 6 与工作用可动悬臂梁的加工工艺完全一致， 无须专门增加工艺步 骤。 0019 上述微机械系统中带有粘附消除机构的微悬臂梁结构， 其粘附消除的具体步骤如 下 ： （1） 悬臂梁 3 末端与衬底接触电极 5 相接触而无法脱离衬底而弹起， 则发生粘附。通过 测量衬底接触电极5和悬臂梁3之间的电阻， 可判断粘附与否。 若测到的电阻值小于100 量级， 表明悬臂梁 3 的末端与衬底接触电极 5 接触后未弹起， 发生了粘附。若电阻值大于 M 量级时， 表明悬臂梁 3 脱离了衬底接触电极 5， 未发生粘附。 0020 （2） 对于发生粘附的悬臂梁结构， 启动附加的粘附消

13、除机构。 在附加机构中的锚区 61 和 62 之间施加电压 （一般为 10V 左右） 、 同时在锚区 63 和 64 之间施加相同的电压， 使电 流流经纵向臂， 欧姆加热。由于热膨胀效应， 纵向臂 651、 652 和 653、 654 必然向非固支端方 向伸展， 且 651、 652 与 653、 654 的伸展方向相反， 这样， 与横梁 65、 66 相连的中间直梁 67 也 随之向两端拉伸。 说 明 书 CN 103552973 A 4 3/3 页 5 0021 （3） 中间直梁 67 垂直于悬臂梁 3， 且与悬臂梁 3 的末端相连。当中间直梁 67 在拉 伸力的作用下逐渐进入紧绷状态时

14、， 将带动与之相连的悬臂梁 3 的末端向上提起而脱离衬 底。 0022 （4） 测量衬底接触电极 4 和悬臂梁 3 之间的电阻， 若电阻值大于 M 量级， 表明悬 臂梁 3 脱离了衬底， 粘附消除。去除纵向臂上施加的电压， 粘附消除机构 6 终止工作。 0023 （5） 测量衬底接触电极 4 和悬臂梁 3 之间的电阻， 若电阻值小于 100 量级， 表明 悬臂梁 3 仍粘附于衬底上。这时， 重复步骤 （2） （4） ， 继续施加欧姆热直至粘附消除。 0024 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出 ： 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103552973 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103552973 A 6