发明的领域

本发明有关一种微机电转换器，它包括多个被弹性地支承在弹性体 微结构之上的微电极。

发明的背景

过去的十年中，在微机电系统领域中取得了长足的发展，微机电系 统的英文缩写通常为“MEMS”。如其名字所包含的意义那样，MEMS 基本上为结合有某种形式的机电转换以达到一定功能的微系统。在这种 情况下，“微”意指零件尺寸为微米量级。MEMS装置方面的例子有： 微型泵、微型马达、微光学平镜等。在IEEE Spectrum，May 1994，pp.20-31 上刊载有一篇题为“Micromachines on the March，”(前进中的微机械) 的文章，对MEMS当前的发展水平作了回顾。

文献中报导的许多MEMS装置均采用静电转换。如大多数的机电 转换器一样，静电转换器也可被配置为致动器或者传感器的形式。当被 配置成致动器时(这种形式特别关系到本发明的应用)，静电转换器利 用极性相反电荷间的吸引作用来产生吸引力。对于一平行板结构型式， 这一力(或压力)P可容易地被计算如下： $P=\frac{1}{2}{ϵ}_0{E}^2=\frac{1}{2}{ϵ}_0{\left(\frac{v}{d}\right)}^2---\left(1\right)$

式中ε0为空气的介电常数(8.85×10-12F/m)，E为电场强度。 在两平行电极的场合，E＝v/d，因而要用到第二步的关系式。

在MEMS装置的有关文献中举出了许多的例子，它们均采用静电 致动力。例如下列文章：Zengerle，R.et al.，1992，“A Micro Membrane Pump with Electro static Actuation，”IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop.；Gabriel K.J.et al.，1992，“Surface Normal Electro- static/Pneumatic Actuator，”IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop；bobbio et al.，1993，“Integrated force Arrags，”Proc.of IEEE MEMS 1993 Workshop，pp.149-154；以及K.Minami et al.，1993， “Fabri cation of Distributed Electrostatic Micro Actuator(DEMA)，” J.of MEMS，vol.2，No.3，1993。

选择静电转换而不采用其它转换方法的某些主要原因如下：

(1)能量密度：对于两电极间所施加的一定电压，电场强度随两 电极间间距的减小而增加。由于静电力与电场强度的平方成正比，当施 加的电压一样时，两电极间距离减小一个数量级则会使产生的静电力增 大两个数量级。与此相关的是，大部分气体的电场强度也随着极间距的 减小而迅速增加(例见：H.L.Saums，“Materials for Electrical Insulating and Dielectric Functrions，”Hayden Book Co.1973)。因此 可看出，静电力很适合用于MEMS装置中。

(2)效率：静电装置典型地具有较高的效率，因为它们不需要大 的电流密度，因而电阻损耗小，而这些常常是磁性的或形状记忆合金为 基础的致动器所固有的，当一个静电装置它的电极运动仅为极间距的几 分之一时(MEMS装置中常常是这种情形)，它的效率就特别的高。

(3)费用：不同于大部分其它的转换器，尤其不同于压电转换器 和磁致伸缩转换器，静电转换仅需具有相对电荷的两电极来产生机械 力。仅仅淀积两个电极要比淀积两电极加一种(比如)压电材料(该压 电材料其后由电极所激励)便宜得多。

尽管静电致动机构具有上述所需的特征，仍有某些例子其中效率并 非是十分关键的因素，因而在这些例子中采用磁致动要更为优越些。磁 致动的一个优点是能产生在较长距离上作用的力，因为力的减小仅仅与 微电极距离线性相关，这一点与在分别给定电流和电势之下静电力与电 极间距成平方关系的场合是不一样的。此外，在磁驱动致动器中典型地 可使用较低的电压，因为它们的性能与所加电压无关，而仅取决于电流。 即使效率并不十分重要，仍需注意由载有致动电流的微电极的电阻性功 耗所产生的热耗散。

MEMS的研究领域似乎是从两个因素中产生的：对探索机电装置小 型化所能达到的极限的好奇心(例见Feynman，R.，1993，“Infintesimal Machinery，”J.MEMS，Vol.2.No.1，)以及广泛地可得到用于集成电路制 造的微加工设备。微加工技术目前已相当先进，特别是最近又增加了如 LIGA法，硅熔接法等技术；且可用于制造相当多种类的装置。但是，这 些微加工技术对每单位加工面积的费用就很贵，即使是对大批量的生产 也是一样，因此它们似乎仅仅只能被用于单位面积价值很高的微加工表 面。

限制当前MEMS技术发展的另一因素是：能使电极间产生相对运 动的手段是电机械铰链机构、或是由弯曲薄的、做成高度悬臂梁形式的 结构来提供。例如，在Bobbio等人文章中所描述的装置中，规定阵列中 每个“单元”(cell)的支承点间的距离相对于聚酰胺/金属结构的厚度 应足够大，这是因为这些材料具有较高的弹性模量的缘故。这些相对较 薄的结构除了使设计和制造这些装置变得相当复杂之外，还是十分易碎 的，因而也不十分适用于要求高耐用性的场合。已有MEMS技术的这样 和那样的缺点可通过使用如下所述的一种新型的、称之为弹性体微机电 系统(“EMEMS”)的MEMS技术来加以克服。

发明概述

本发明的目的是提供一种微机电装置，其中支承于一弹性体微结构 之上的微电极在静电力的作用下经受实质性的相对运动。

本发明的另一目的是提供一种微机电转换器，通过采用模制弹性体 膜的微结构仅表面可便宜地构造这种转换器。

本发明的再一目的是为有关的气体和气压在EMEMS中相反极性 的两微电极间使用一定范围的极间距，即小于两倍的Paschen最小距离。

本发明的还一个目的是提供一种手段来在与相对极性的微电极相互 接触的固体表面上增加路径长度，且同时还提供一种手段来构造上述微 电极的图形且扩展气流路径区域。

本发明的另一个目的是提供一种手段来通过采用相对微结构化表面 来制造更复杂的结构。

上述目的及其他目的是通过提供一种微机电转换器来达到的，在这 种转换器中将微电极有选择地淀积到一微结构化表面上。这些微结构被 选择性地连结到激励它们的一种装置上，其方式能在任何两相反极性的 微电极间或在一微电极和一与之邻近的宏电极间产生静电力。

微电极的构造材料优选地采用一种具有高弹性应变极限值的低弹性 模量材料，这些材料通常被称做弹性体。这种材料的选择加上对微电极 作的合适的微结构设计和配置，能使静电力在两极性相反的电极间产生 实质性的相对运动，或在一微电极和另一与之邻近的宏电极间产生相对 运动。这种EMEMS设计技术能提供优于常规MEMS装置的专门性能 优点，比如改善了耐用性。但是，预期的最重要的优点还是大大降低了 单位面积的制造费用。

制造具有低弹性模量和高弹性的弹性体材料的微结构能使微结构具 有相对较低的纵横比，然而却仍是高度柔性的。与此相反，常规MEMS 装置中所用的高弹性模量硅微结构要求有较高的纵横比以使之具实质性 的柔性。采用低纵横比能有助于采用两种关键加工技术。首先，可将微 结构设计成在一膜状弹性体片材之上的可模制表面结构的形式。其次， 采用熟知的大规模微细加工技术(如金刚石切削)来加工一个模子用于 微细复制结构化的表面弹性体薄膜。在薄膜表面作微细复制以产生微结 构与常规微细加工技术相比极大地降低了生产费用。最后，采用合适的 结构设计和物理气相淀积技术，则可选择性地淀积微电极，而无需采用 在制造常规MEMS装置中通常所用的昂贵的掩模工序。所有这些特点综 合起来便可使人们采用熟知的大规模生产技术来便宜地生产EMEMS装 置。

附图简介

图1A为本发明一优选实施例的放大了的局部剖视透视图。

图1B为图1A所示结构的局部剖面正视图，示出当微电极位于一种 由施加图中所标记电势而引起的激励状态时所在的位置。

图1C为图1A所示结构的局部剖面正视图，示出当微电极位于一由 施加图中所标记电势而引起的第二激励状态时所在的第二位置。

图1D示出图1A的结构外加一连结装置用于与每个电极实现电气接 触。

图1E为图1D所示结构的顶视图。

图2A为图1A所示结构的剖面正视图，图中示出如何能将微结构设 计原理用于取得本发明的各个目的。

图2B为一扫描电镜图，示出根据本发明的方法制造的一金属镀层 弹性体微结构。

图3示出一对放大了的、相对的微结构化表面，它们提供了多个储 气室。

图4与图3类似，但去掉了上部微结构部分，示出在下部微结构中 储气室的位置以及弹性支撑在该微结构之上的一宏电极。

图5A和5B示出本发明的一实施例，它具有一位于图1实施例下方 的一宏电极。

图6示出与图1A-1D的实施例相类似的一实施例，其中载有微电 极的弹性体微结构被提供在一平面衬底的两侧。

优选实施例详细说明

图1A提供的是根据本发明的优选实施例所制造的一装置的剖视透 视图。该装置具有一组线性排列的(通常超过1000个)均匀间隔开的微 电极6，每个电极均被支承在微结构化的弹性体脊5的顶部。微结构化 的弹性体脊5作为表面特征被形成在一弹性体衬底膜或片4之上。

可采用大批量模制微复制技术来经济地制造这种微结构脊5，已知 的有如制造象微棱镜式光学膜片等微结构化表面产品。可以采用许多好 的导电性材料中的任何一种来形成微电极6，例如：纯金属(如 Al，Cu，Au)、合金、金属氧化物(如铟锡氧化物)、超导体、导电聚合 物、形状记忆合金；或导电弹性体。

在导电材料要求的应变相对较高的场合，则需采用导电弹性体材料 制作微电极以降低机械疲劳失效的风险，这种机械疲劳失效会导致微电 极失去导电性。以下将更详细地叙述一种用于将微电极淀积在微结构脊5 之上的优选技术。

图1A所示装置的一个重要目的是要使微电极6在完全平行于微结 构化底片4的方向上以一定的频率f且作为时间t的函数作一种简谐运 动。这种简谐运动对许多流体力学的应用是有用的，例如边界层控制， 其中需要对流体表面相互作用进行微观控制以便对宏观流产生实质性影 响。例如，可利用这种效果来增加混合在边界层中的流体量级并由此增 加其动量交换。在某些电驱动条件下，也可以使用这种效果来减少所混 合入的湍流量级并由此亦降低在诸如飞机这样的空气动力体之上的表面 阻力。在许多参考文献中已对使用微机械装置来与液体流相互作用作了 详细讨论，如：Ho，Chih-Ming，“Interaction Between Fluid Dynamics And New Technology，”IEEE International Conference on flow Interaction，Keynote Talk，Sept.5-9，1994。

下面根据图1B和1C来讨论能用来得到微电极6的简谐运动的手 段。将4个独特的驱动电势函数a、b、c、d中的一个施加于每个微 电极6，其中：

a＝+V B＝+VSin(2πft)

c＝-V d＝-VSin(2πft)

如图1B所示的那样，这些函数被反复地交替施加到邻近微电极上。 由这种驱动电势序列所产生的静电力通过支撑微电极6的微结构化弹性 体脊5的变形以下列的方式来产生微电极6的简谐运动。在时间t＝0时， 微电极6处于图1A所示的未变形状态。在t＝1(4f)时，微电极6处于图 1B所示的最大变形状态。在t＝1/(2f)时，微电极6将经过图1A所示的未 变形状态。最后在t＝3/(4f)时，微电极6将处于图1C所示的最大变形的 相反极性状态。这一运动模式被以频率f反复进行并由此取得所需的操 作。由此可知，所施加的电势交替地在相邻电极6对之间诱发吸引力， 从而使微电极产生受控的时变位移。

每个微电极6优选地具有小于0.01mm2的横截面积，且产生的位移 超过这一面积的平方根值的1％。

可采用一边缘连接带10来将微电极6电气地连接到一合适的电源 11(如图1D和1E所示)。连接带10由一系列突出的微结构化脊8组 成，它们隔开且支承住倒“U”型电触头9。脊8的几何形状被做成能 同时插进微结构化弹性体脊5之间。脊的几何形状要做成使相互交错的 脊5和8间的间隙足以能容易地插入但却要仍能在触头9和各电极6的 相邻表面间提供很好的电接触。

每个倒“U”型电触头9组成从电源11运载合适驱动信号(即a、 b、c或d)的导电路径的一部分。采用诸如光刻法那样的众所周知的集 成电路制造工艺来将一种微图形化的接线方案应用于连接带10可很方便 地实现上述这一点。由于微电极6和触头9紧密接触，因而可得到十分 好的电连接，可能的话还可借助于如导电胶那样的导电粘性材料在将微 电极和触头如前所述地交错插入之前将导电胶涂在一个表面上。将诸如 聚酰胺那样的一种具有适当较高的电场强度绝缘性材料用来形成每个脊 8的主体并用来绝缘邻近的导电通路。

在微电极6之间可被产生的最大静电力是受相邻电极间的静击穿所 限制。尽管发明者并不愿意被任何特殊理论所约束，但看起来在如上所 述的一EMEMS装置中通常仍存在有三种主要的电击穿方式。

第一种主要的电击穿方式是在微电极6和/或平面电极间的整个弹 性体表面上的表面放电。如碳化这样的许多机理均可引起在原本非导电 表面上产生表面放电。在大多数场合，表面放电的机率随每单位路径长 度上的电压的增加而增加。这样便希望尽可能长地增加路径长度。这一 点在优选实施例的结构中是通过利用长的路径长度“S”(图2A)来达 到的，而这种长的路径长度“S”则是横过位于弹性体脊5之上的微电 极6(见图2A)之间的凹槽所要求的。

第二种主要的电击穿方式是位于电极间的气体的雪崩击穿。当电压 超过给定气体的Paschen曲线值的电压时，则会产生气体雪崩击穿。 Paschen曲线可参考某些学术著作来加以确定，如Kuffel，E.Et al，“The Sparking Uoltage-Faschem’s Law，”pp.354-361 in High Uoltage Engineering Fundamentals，Pergamon Press，Oxford，1984.Paschen定理 讲述：不发生雪崩击穿所能获取的最大电压V是一个仅与气压p和间隙 d的乘积有关的函数，即V＝f(pd)。这样便希望使电极间隙3(图1A) 做得尽量小以防止气体击穿。然而，这一点必须针对如下的事实来加以 平衡，即：电极间隙3的减小也会减小微电极6的最大位移量，而这将 限制装置的有用性。某些类型的气体，尤其象六氟化硫这样的负电性气 体，较之空气具有对雪崩击穿更高的抵抗性且可提供一种增加绝缘强度 的有用手段。

第三种主要的电击穿方式是场致发射。场致发射是在一个表面上电 子穿过势垒的隧道效应，它反过来又导致一系列的击穿机理。从理论上 讲，势垒值太大以致不可能允许产生实质性的隧道效应，除非电场强度 达到3000MV/m这样大的量级。然而在实际中，实质性的场致发射仍可 在标称电场强度达到比上述值低两个数量级的值时(即30MV/m)开始 发生。这种减弱性看起来似乎是由大量的微凸起所造成的，它们即使是 在高度抛光过的表面中也是固有地存在的。这些微凸起能使局部电场强 度增大两个数量级且因此而导致场致发射击穿。所以，为防止场致发射， 必须采用一种手段来减小表面粗糙度。也有证据表明，除了电场强度值 之外，电极间距(它影响着施加在间隙两端的整个电压)也能起作用(例 见A.Kojima et al.，“Effect of Gap Length on Effective Field Strength，”Proc.3rd Intl.Conf on Properties and Applications of Dielectric Maferiais，July 8-12，1991，Tokyo，Japan)。这一点进一步表明， 应将电极间距尽量做得切合实际地小。

总的说来，作为薄弱环节的击穿机理将取决于一系列的因素，诸如： 表面路径长度、电极间距、介电气体类型、电极表面等。例如：如果要 在一高真空环境中来操作上述装置，就必须实质性地减少气体击穿机理 且仅需对付表面放电和场致发射。根据一般的经验，对涉及的气体和气 压来说，应使电极间距小于2倍的Paschen最小距离。这样可原则上保 证能得到实质性的静电力而不生产出气体击穿或不需要过分高的工作电 压。

现在来讨论用来将微电极6有选择地淀积在脊5顶部的方法。如上 所述，需要有选择地将微电极6以一种便宜的、大规模生产的方式淀积 在脊5的某些部分。一种这样的方法是采用物理气相淀积原子的定向性 质与弹性体的微结构相结合来制造微遮蔽效应。微遮蔽技术已被用于本 领域的其它地方，如用在Bobblo等人所描述的装置中，见Babbio et al.， “Integrated Force Arrays，”Proc.1993 IEEE MEMS Workshop，p.150。

参照图2A，通过将金属原子沿与垂直于脊5的方向成α的角度进 行投射(该角度α足以产生所需的遮蔽度)，可获得微遮蔽效应。图2A 示出一45°的投射角(α。这样可提供一相对较长的表面击穿路径长度， 同时也在靠近脊5顶部的地方造成到电场的一光滑过渡。较小的角度将 会使金属限制在脊5顶部的一较小区域中，但这些较小区域的边缘会产 生很高的电场，这些电场有可能成为电击穿源。图2B是在与一个装置的 微结构化表面成一斜角的方向上拍摄的扫描电镜图，该装置是根据上述 本发明的优选实施例所构造的。在该扫描电镜图中，浅阴影区32代表钽 金属镀层，而深阴影区33则代表硅弹性体。

在某些场合需要使用两相对且相互接触的微结构化表面图3中示出 一个这样的实施例的一小部分。图3的下部表示载有多个第一弹性体脊5 的一弹性体微结构化衬底4，每个弹性体脊均如前所述如图1A所示的那 样覆盖有一第一微电极6。图3的上部表示一第二弹性体微结构化衬底 12，在其中连接有多个第二微电极14，其方式为：每个微电极14面对 多个相应的微电极6。图3的尺度是不成比例的，实际中，上弹性体微 结构化衬底12的厚度要远大于下弹性体微结构化衬底4的厚度。

一系列的弹性体脊16从上微结构化衬底12的下伸出以规则的间隔 同下微结构化衬底4相接触，这样便限定了微电极6和14间的一极间距 18。象空气这样的一种气体充实了由两微结构化衬底所包围的空间20。 优选地将一种粘接剂涂到两微结构间的触点22上。将微电极14连到一 电压源的一端，而面对电极14的微电极6则被连至另一端。在上微结构 化衬底12上等间隔地做有多个凹槽以提供多个储气室24用于下面所述 的目的。

图3实施例的操作如下：在两组微电极6和14间施加一电势差以产 生一静电吸引力。这一静电吸引力使弹性体脊16变形，从而使这两组微 电极相互间进行运动。当微电极运动时，被围在空间20中的气体在上、 下微结构间被压缩。在微电极6和14间的气体压缩要大于储气室24内 的气体压缩，这样气体倾向于被压进、压出储气室24。因此，如果不提 供储气室24的话，整个气体压缩量要小得多。由于空间20中的气体具 有压缩刚性，因此储气室24相应地减少了对两微结构相对运动的阻力， 且因此也无需再构造具有高纵横比的下微结构，而这种高纵横比的下微 结构通常是难于制造的。

气体流进流出储气室24带来了粘性阻尼，这种阻尼在许多场合通常 是不希望的。为减少粘性阻尼，应减小流体流进流出储气室24的速度。 这一点比如可通过将各储气室24安排得更靠近些来达到，因为这样仅需 移动较少的气流量，或者可增加储气室横截面积以降低平均气流速度。 再次参考图2A，与凹槽区“r”相关的被增加的截面积除被用于其它前 述的增加表面击穿路径长度和能进行微电极6的微遮蔽之外，还可用来 进行上述第二途径。

图4为图3装置的一替补方案，它消除了对上微结构的需要，如图 4所见，一个或多个宏电极32(它们是毫米量级的平面结构)高出微电 极6被支承在从衬底4向上伸出的弹性体脊16之上。采用有选择地移去 衬底4和弹性体脊5的某些部分来制造出储气室24，操作时，将电势差 施加于微电极6和宏电极32之间，以在它们之间产生一静电吸引力。这 一静电吸引力使弹性体脊16产生变形，从而使微电极和宏电极相互间产 生相对运动。在此运动期间，被围在空间20中的气体在宏电极和衬底4 间被压缩。

图5A和5B示出一进一步的替补实施例，其中将一个或多个宏电极 30加于衬底4的基底上。操作时，将一电势差加于微电极6和宏电极30 之间，以在它们之间产生一静电吸引力。该静电吸引力使弹性体脊5变 形，从而使微电极6如图5B所示的那样相对于宏电极30移动。

图6示出一更进一步的替补实施例，其中将微电极6和6’施加于衬 底4的两侧。可看到这样便提供了上、下两结构(对称于衬底4的平面)， 每一结构以上述图1A-1D所示的方式工作。这样一种双边结构可被用 于例如改善通过薄膜的对流热传递。

根据前面披露的内容，熟悉本技术领域的人将可看到，在实施本发 明过程中在不偏离本发明的精神和范围的条件下仍会有许多替代方案和 修改。因此，有必要根据以下权利要求所述的精神来解释本发明的范围。