[發明專利]一種3-DOF硅基納米級定位平臺及其制作方法

有效

• 申請號: 201410276938.6
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104016297A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 宋芳
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及一種3-DOF硅基納米級定位平臺及其制作方法，屬于硅微機械制作領域。

背景技術

隨著科學技術的日新月異和科學研究的不斷深入，人類已經把目光投向了微觀領域。對微觀未知領域的科學探索大大促進了微/納操作作業工具的研究與發展。近年來，伴隨著MEMS(微機電系統，Micro-Electro-Mechanical?System)微加工技術的不斷成熟發展，硅基微/納定位平臺以其結構尺寸小、成本低、定位精度高等特點被廣泛應用于微力傳感器、光學(如：光纖光學切換器、微光學鏡頭掃描器)、顯微共焦成像、掃描探針顯微鏡、高密度數據存儲、生物醫學等微/納操作領域。硅基微/納定位平臺的發展給微觀世界探索提供了作業工具與研究手段，對于促進我國科學技術發展具有重要的科學意義。

國內外對硅基定位平臺研究的學術文獻非常多，到目前為止定位平臺主要采用體硅或表面微機械加工技術制作。平臺驅動主要采用靜電梳齒致動器為主。因為靜電梳齒致動器可用體硅或表面微機械工藝制作，工藝兼容性好，便于控制且易于實現系統集成。其中，由于表面微機械加工制作的定位平臺受薄膜沉積工藝的限制，不易制作結構層較厚的驅動結構，因此制作后的定位平臺強度難以進一步提高且驅動電壓比較大，大大限制了平臺的應用范圍。基于上述因素，目前文獻上報道的硅基定位平臺多以體硅微機械加工技術制作為主，采用雙面光刻對準工藝，通過硅片背面濕法(或干法)刻蝕減薄，再利用陽極鍵合工藝將局部區域減薄后的硅片與玻璃片鍵合在一起，最后通過硅片正面干法刻蝕釋放可動結構方式來制作定位平臺，如以下文獻：Lining?Sun，Jiachou?Wang，Weibin?Rong，et?al.A?silicon?integrated?micro?nano-positioning?XY-stage?for?nano-manipulation，Journal?of?Micromechanics?and?Microengineering，18(2008)125004(9pp)；CheHeung?Kim?and?Yongkweon?Kim.MicroXY-stage?using?silicon?on?a?glass?substrate，Journal?of?Micromechanics?and?Microengineering，12(2002)103-107；Xinyu?Liu，Keekyoung?and?Yu?Sun.A?MEMS?stage?for?3-axis?nanopositioning，Journal?of?Micromechanics?and?Microengineering，17(2007)1796-1802。這種傳統體硅工藝制作的硅基定位平臺尺寸較大、成本高、工藝復雜且與IC兼容性差不利于大批量生產。為了解決這一問題，目前部分學者利用SOI硅片來替代傳統鍵合結構來制作硅基定位平臺，這種方式雖然解決了傳統體硅微機械技術制作硅基定位平臺的不足，但是SOI硅片價格昂貴，因此制作成本難以降低。

目前，在硅基定位平臺集成位移自檢測傳感器方面的文獻報道很少，目前只有哈爾濱工業大學王家疇博士論文有相關平臺結構論述。但是其定位平臺還是采用傳統的硅-玻璃鍵合結構，在(100)硅片上制作定位平臺，然后通過與Pyrex7740玻璃鍵合構成完整的平臺結構，其中在各靜電梳齒致動器末端均集成了壓敏電阻。這種結構方式雖然增加了位移檢測傳感器，提高了定位精度，但是加工后器件尺寸還是很大，成本很高且工藝很復雜，工藝兼容性差。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的芯片尺寸大、制作成本高、制作工藝復雜且工藝兼容性差的不足而提供一種3-DOF硅基納米級定位平臺及其制作方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種3-DOF硅基納米級定位平臺，包括單晶硅襯底，該襯底的同一表面上設置有四個靜電梳齒致動器和一個正方形定位臺，其中，所述四個靜電梳齒致動器以正方形定位臺為中心呈對稱分布，各靜電梳齒致動器通過其輸出端的柔性彎曲梁與正方形定位臺相連接，所述靜電梳齒致動器前后兩側分別對應連接有柔性折疊梁和位移檢測梁，所述靜電梳齒致動器、正方形定位臺、柔性折疊梁和位移檢測梁通過絕緣錨點與單晶硅襯底連接，懸浮在單晶硅襯底之上；

在驅動方式上，所述正方形定位臺采用側向靜電梳齒驅動和平板電容驅動兩種復合驅動方式實現平臺的X、Y、Z三軸運動控制，通過給靜電梳齒致動器施加驅動電壓實現正方形定位臺沿X和Y方向平動；所述單晶硅襯底上設有Z軸驅動電極，通過給單晶硅襯底與正方形定位臺之間施加驅動電壓實現正方形定位臺沿Z方向運動；