柔性MEMS器件和电子设备的制作方法

本发明涉及mems器件领域，具体地，涉及柔性mems器件和电子设备。

背景技术：

柔性电子器件可弯曲延展、高效、制造成本较低，柔性电子器件可根据应用场景(例如曲面)的形状进行良好的贴附，而不会改变其所贴附的表面的形状，还具有小型化与轻量化等方面的优势。mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)器件是指利用了微机电系统的器件，与基于硅基底或者玻璃基底制作的mems器件相比，基于柔性基底材料的柔性薄膜mems器件具有轻量化与易集成等优点。而柔性薄膜mems器件由于基底材料为柔性材料，在柔性基底上设置可动部件(可动部件是指在电压作用下可上下移动的部件)存在一定的缺陷和不足，仍有待改进。

技术实现要素：

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

目前的柔性mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)器件是将mems组件与柔性基板进行结合，使得柔性mems器件能够具有较好的柔性、可贴附到曲面上并且能够保持曲面的形状，但在柔性基底上设置可动部件具有一定的缺陷，柔性基底不能够为mems组件提供较好的支撑作用，当柔性mems器件整体受到拉伸作用时，柔性基底容易发生变形但不能够很好的支撑mems组件，此时mems组件也会在拉伸作用下发生变形，这会对柔性mems器件的结构、功能以及稳定性等造成不良影响。发明人发现，可以将柔性基底与刚性基底(此处的柔性与刚性均是相对而言的，刚性基底的杨氏模量高于柔性基底的杨氏模量)进行结合，将mems组件设置在刚性基底上，再与柔性基底进行结合，由此，柔性基底较软、可拉伸，由柔性基底承受拉伸变形，而刚性基底具有较大的刚度，将mems组件设置于其上，可以减少柔性mems器件整体受到拉伸变形时设置在第二基底上的mems组件承受的应力与应变，使mems组件保持结构、功能和稳定性。

有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种柔性mems器件。该柔性mems器件包括衬底基板，所述衬底基板包括：第一基底，所述第一基底包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面具有凹槽；第二基底，所述第二基底嵌设在所述凹槽中，所述第二基底的杨氏模量大于第一基底的杨氏模量。由此，将杨氏模量较大的第二基底与杨氏模量较小的第一基底进行结合，第一基底可以承受拉伸变形，而第二基底可以提供较大的刚度，进而减少柔性mems器件整体受到拉伸变形时mems组件承受的应力与应变，使mems组件保持结构、功能和稳定性，柔性mems器件具有较好的柔性和稳定性。

根据本发明的实施例，所述第二基底的杨氏模量不低于所述第一基底的杨氏模量的100倍。

根据本发明的实施例，所述第二基底的杨氏模量不低于所述第一基底的杨氏模量的1000倍。

根据本发明的实施例，该柔性mems器件进一步包括mems组件，所述mems组件包括：第一地线、信号传输结构和第二地线，所述第一地线、所述信号传输结构和所述第二地线依次排列且间隔设置在所述第二基底远离所述第二表面的表面上，其中，所述信号传输结构包括信号传输线和介电层，所述信号传输线设置在所述第二基底远离所述第二表面的表面上，所述介电层设置在所述信号传输线远离所述第二基底的表面上；膜桥，所述膜桥分别与所述第一地线和所述第二地线电连接设置，且在电压作用时，所述膜桥靠近所述介电层，在非加压时，所述膜桥远离所述介电层。

根据本发明的实施例，所述第一基底包括硅橡胶。

根据本发明的实施例，所述第二基底包括pet、pi中的至少之一。

根据本发明的实施例，所述柔性mems器件的整体应变不高于50％时，所述膜桥靠近所述衬底基板的表面与所述介电层远离所述衬底基板的表面之间的间距的变化不超过6.5％。

根据本发明的实施例，所述柔性mems器件的整体应变不高于30％时，所述膜桥靠近所述衬底基板的表面与所述介电层远离所述衬底基板的表面之间的间距的变化不超过4％。

根据本发明的实施例，该柔性mems器件包括：多个所述凹槽，多个所述凹槽设置在所述第一基底的所述第一表面；多个所述第二基底，多个所述第二基底一一对应嵌设在多个所述凹槽内；多个所述第一地线、多个所述信号传输结构和多个所述第二地线，每个所述第二基底远离所述第二表面的表面上依次排列且间隔设置有一个所述第一地线、一个所述信号传输结构和一个所述第二地线；多个所述膜桥，每个所述信号传输结构一一对应设置一个所述膜桥。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种电子设备。该电子设备包括前面所述的柔性mems器件。由此，该电子设备具备前面所述的柔性mems器件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电子设备既能够承受拉伸变形，又能够保持mems组件的结构、功能和稳定性。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的柔性mems器件的结构示意图；

图2显示了根据本发明另一个实施例的柔性mems器件的俯视图；

图3显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件加压状态下的结构示意图；

图4显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件加压状态下的结构示意图；

图5显示了现有技术中的柔性mems器件的俯视图；

图6显示了现有技术中的柔性mems器件的结构示意图；

图7显示了现有技术中的柔性mems器件受拉伸作用力的示意图；

图8显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件受拉伸作用力的示意图；

图9显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件受拉伸作用力的示意图；

图10显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件拉伸变形有限元仿真结果；

图11显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件的俯视图；

图12显示了根据本发明又一个实施例的柔性mems器件受拉伸作用力的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种柔性mems器件。参考图1和图2(图2为根据本发明一个实施例的柔性mems器件的俯视图，图1可以看做是图2沿aa’的截面图)，该柔性mems器件包括衬底基板，其中，衬底基板包括第一基底100和第二基底200，第一基底100包括相对设置的第一表面110和第二表面120，第一表面110具有凹槽130，第二基底200嵌设在凹槽130中，第二基底200的杨氏模量大于第一基底100的杨氏模量。由此，将杨氏模量较大的第二基底与杨氏模量较小的第一基底进行结合，第一基底具有较好的柔性，可以承受拉伸变形，用于提高柔性mems器件的整体柔性，而第二基底可以提供较大的刚度，进而减少柔性mems器件整体受到拉伸变形时设置在第二基底上的mems组件承受的应力与应变，使mems组件保持结构、功能和稳定性，柔性mems器件整体具有良好的结构、功能和稳定性。

需要说明的是，第一基底100的第一表面110包括凹槽两侧的平面部分以及凹槽130的侧壁和凹槽130的底面。

根据本发明的实施例，第二基底200嵌设在凹槽130中，可以使得第二基底远离第二表面的表面与第一基底未设置凹槽部分的第一表面齐平，即是说凹槽的深度与第二基底的厚度一致，如此，可以保证柔性mems器件的表面平整性，以及更好的改善柔性mems器件的结构稳定性。

根据本发明的实施例，第二基底200的杨氏模量不低于第一基底100的杨氏模量的100倍。由此，第二基底的杨氏模量显著高于第一基底的杨氏模量，第二基底可以为mems组件提供较大的刚度、较好的支撑，而第一基底可以承受拉伸作用，有利于提高柔性mems器件的柔性以及稳定性，进而提高器件的整体性能。

根据本发明的实施例，第二基底200的杨氏模量不低于第一基底100的杨氏模量的1000倍，例如，第二基底200的杨氏模量为第一基底100的杨氏模量的1000倍、2000倍、5000倍、10000倍等，第二基底的杨氏模量与第一基底的杨氏模量可以相差更多倍，第一基底为柔性mems器件提供更好的柔性，而第二基底则为设置在其上的mems组件提供更好的支撑作用。由此，既可以有助于提高柔性mems器件的稳定性，且同时保证柔性mems器件良好的柔性。

根据本发明的实施例，第一基底可以包括硅橡胶材料，具体的可以包括silbine、ecoflex、dragonskin中的至少之一，上述材料具有较好的柔性，可以承受较大的拉伸变形，使柔性mems器件整体具有较好的柔性。根据本发明的一些具体实施例，silbine可以为silbine4320a/b等，ecoflex可以为ecoflex00-10、ecoflex00-20、ecoflex00-30、ecoflex00-50等，dragonskin可以为dragonskin20、dragskin30等。第一基底也可以是其他杨氏模量较低的材质，本领域技术人员可以根据实际设计需求进行选择。

根据本发明的另一些具体实施例，第二基底包括pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、pi(聚酰亚胺)中的至少之一，相对于第一基底材料，上述材料具有较高的杨氏模量，可以为mems组件提供较好的支撑作用，有利于提高柔性mems器件整体的结构、功能和稳定性。第二基底也可以为其他杨氏模量较高的材质，本领域技术人员可以根据实际设计需求进行选择。

根据本发明的实施例，参考图1和图2，该柔性mems器件进一步包括mems组件，所述mems组件包括：第一地线300、信号传输结构500和第二地线400，第一地线300、信号传输结构500和第二地线300依次排列且间隔设置在第二基底200远离第二表面120的表面上，其中，信号传输结构500包括信号传输线510和介电层520，信号传输线510设置在第二基底200远离第二表面120的表面上，介电层520设置在信号传输线510远离第二基底200的表面上；膜桥600，膜桥600分别与第一地线300和第二地线400电连接设置，且在对膜桥和信号传输线510施加电压时，膜桥600靠近介电层520，在非加压(即对膜桥和信号传输线510不施加电压)状态时，膜桥600远离介电层520，即膜桥600不靠近介电层520(如图1所示)，定义膜桥高度为膜桥靠近第一基底的表面与介电层远离第一基底的表面之间的间距，所以在非加压状态时，膜桥高度为h0(如图1所示)，在加压状态时，膜桥高度小于等于h3(如图3和图4，其中图3中膜桥高度为h3，图4中膜桥高度为0，即膜桥600与介电层520相接触)。由此，柔性mems器件具有mems组件的功能，且能够在施加一定的电压时使膜桥靠近甚至接触介电层，在不施加电压时使膜桥远离介电层，即膜桥高度保持为h0，以实现类似开关等器件的功能，并且mems组件设置在杨氏模量较大的第二基底上，第二基底可以为其提供较好的支撑、较大的刚度，减少柔性mems器件整体受拉伸变形时mems组件承受的应力与应变，尤其是减少膜桥承受的应力与应变，有利于mems组件保持形状及功能，而且杨氏模量较小的第一基底又可以承受拉伸作用，使柔性mems器件整体具有较好的柔性。

需要进一步说明的是，在对膜桥和信号传输线510施加电压时，膜桥600靠近介电层520，膜桥高度小于等于h3，很显然，h3小于h0，h3可以不为零，也可以为零(即膜桥600与介电层520直接接触，如图4所示)，其中，h3的具体值需要根据膜桥的材料、膜桥的厚度等实际情况而定，在此没有限制要求，只要可以实现柔性mems器件的使用功能即可。

需要说明的是，所施加的电压大小可以根据膜桥600的材质、厚度等具体条件进行设置，本发明中不做特别限定。对于第一基底、第二基底的厚度等，本发明中也不做特别限定，本领域技术人员可以根据第一基底和第二基底的杨氏模量等实际情况进行设置。另外，第一地线、第二地线、信号传输线以及膜桥的材质均为金属，具体材质本发明中不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择和设置。介电层由绝缘材料构成，本发明中也不做具体限定，可以为氮化硅、氮氧化硅等，本领域技术人员也可以根据实际设计需求进行选择。介电层的具体大小不做特别限定，只要能够实现膜桥与信号传输线的电绝缘作用即可，在一些实施例中，如图2、图8、图11和图12等俯视图中，介电层520在衬底基板上的正投影的面积小于等于信号传输线510在衬底基板上的正投影和膜桥600在衬底基板上的正投影的重叠区域的面积，即在俯视图中，介电层520被膜桥600覆盖；在另一些实施例中，介电层在衬底基板上的正投影的面积可以略大于信号传输线510在衬底基板上的正投影和膜桥600在衬底基板上的正投影的重叠区域的面积，以更好的在介电层与膜桥接触时，避免膜桥与信号传输线510直接接触。

下面对本发明能够实现保持柔性mems器件的结构、功能和稳定性的原理进行详细说明：

现有技术中，在柔性基底上设置mems组件，参考图5和图6(图5为现有技术中一个柔性mems器件的俯视图，图6可看做是图5沿bb’的截面图)，该技术方案中，在第一基底100的表面上设置了mems组件，即仅有柔性基底作为支撑，柔性基底可以承受拉伸作用。参考图6和图7，图6为受拉伸作用前现有技术柔性mems器件的结构示意图，而图7为该器件受拉伸作用后的结构示意图，其中，箭头所示方向为拉伸作用力的方向，通过对比可知，在受拉伸作用后，第一基底100发生拉伸形变，而第一地线300和第二地线400与信号传输结构500之间的间距也有明显增大，而膜桥600靠近第一基底100的表面与介电层520远离第一基底的表面之间的间距明显减小(由h0减小至h2)，严重时在非加压时膜桥甚至会与介电层接触，即h2为零，在未施加电压的情况下膜桥已发生明显变形，再继续拉伸甚至会导致膜桥断裂等不良，可见，这种技术方案中的mems组件在受拉伸作用时并不能够很好的保持原始的形状以及功能，很难保持结构、功能和稳定性。

而本发明中，将杨氏模量较大的第二基底与杨氏模量较小的第一基底进行结合，在第二基底上设置mems组件，在柔性mems器件整体受拉伸作用时，杨氏模量较小的第一基底可以承受拉伸变形，而杨氏模量较大的第二基底可以提供较大的刚度，mems组件设置在杨氏模量较大的第二基底上，可以有效减少柔性mems器件整体受拉伸变形时mems组件承受的应力与应变，尤其是减少膜桥承受的应力与应变，更有利于保持mems组件的形状以及功能的稳定性，进而有利于提高柔性mems器件的整体功能以及稳定性。参考图1、图8和图9，图1为本发明一个实施例的柔性mems器件的结构示意图，而图8和图9为该器件受拉伸作用力时的结构示意图，该器件在受到拉伸作用力之后，杨氏模量较小的第一基底100发生了较大的形变，但由于mems组件设置在杨氏模量较高的第二基底200上，mems组件的形变量很小，即第一地线300、信号传输结构500和第二地线400的相对位置相比于拉伸前变化较小或基本保持不变，膜桥600的位置相比于拉伸前变化较小或膜桥基本未发生变形，所以膜桥600靠近衬底基板的表面与介电层520远离衬底基板的表面之间的间距的变化量较小，甚至可以忽略不计(膜桥高度的变化是由拉伸前后信号传输结构500和膜桥600位置的变化而引起的)。由此可知，本发明通过将杨氏模量较小的第一基底与杨氏模量较大的第二基底进行结合，并将mems组件设置在杨氏模量较大的第二基底上，使得柔性mems器件可以具有较好的柔性，整体能够承受较大的拉伸作用力，并且能够保持mems组件的结构、功能和稳定性，使柔性mems器件整体具有良好的结构、功能和稳定性。

本发明的柔性mems器件能够很好的保持稳定性：根据本发明的一些实施例，当柔性mems器件的整体应变不高于30％时，膜桥靠近衬底基板的表面与介电层远离衬底基板的表面之间的间距的变化不超过4％，即(h0-h1)/h0≤4％。根据本发明的另一些实施例，柔性mems器件的整体应变不高于50％时，膜桥靠近衬底基板的表面与介电层远离衬底基板的表面之间的间距的变化不超过6.5％。本领域技术人员应该理解，膜桥靠近衬底基板的表面与介电层远离衬底基板的表面之间的间距的变化，是指受拉伸作用力之后膜桥靠近衬底基板的表面与介电层远离衬底基板的表面之间的间距相对于受拉伸作用力之前膜桥靠近衬底基板的表面与介电层远离衬底基板的表面之间的间距的变化。

根据本发明的一个具体实施例，参考图1和图9，在未受到拉伸作用时，参考图1，膜桥600靠近衬底基板的表面与介电层520远离衬底基板的表面之间的间距为h0，在受到一定的拉伸作用力之后，膜桥600靠近衬底基板的表面与介电层520远离衬底基板的表面之间的间距为h1，即膜桥高度的变化为h0-h1。在一个具体实施例中，对该柔性mems器件进行拉伸变形有限元仿真，如图10所示出的，当柔性mems器件整体应变为0时，膜桥高度为1.75微米，当柔性mems器件整体应变为30％时，膜桥高度为1.69微米，经过计算，膜桥高度的变化量仅为3.4％；而当柔性mems器件整体应变为50％时，膜桥高度为1.64微米，经过计算，此时膜桥高度的变化量也仅为6.3％。通过有限元仿真的结果可知，本发明的柔性mems器件在整体承受较大的拉伸应变时，膜桥高度的变化量相对较小，能够保持mems组件的结构、功能和稳定性，而不会出现图5中现有技术中的mems组件受拉伸作用力出现明显变形的情况，本发明的柔性mems器件相对于现有技术具有显著的优势。需要说明的是，在图8中，横坐标代表柔性mems器件在拉伸作用力下产生的整体应变，膜桥的位移是指在拉伸作用下膜桥的位置相对于未施加拉伸作用力时膜桥的位置发生移动而产生的位移，即设定未施加拉伸作用力时膜桥的位移为0，同理，信号传输结构的位移也是指在拉伸作用下信号传输结构的位置相对于未施加拉伸作用力时信号传输结构的位置发生移动而产生的位移。

根据本发明的实施例，参考图11和图12，该柔性mems器件包括：多个凹槽，多个凹槽设置在第一基底100的第一表面；多个第二基底200，多个第二基底200一一对应嵌设在多个凹槽内，即一个凹槽对应设置一个第二基底；多个第一地线300、多个信号传输结构(信号传输结构包括信号传输线510和介电层520，俯视图中介电层被膜桥覆盖，因此，图中未示出介电层)和多个第二地线400，每个第二基底200远离第二表面的表面上依次排列且间隔设置有一个第一地线300、一个信号传输结构和一个第二地线400；多个膜桥600，每个信号传输结构一一对应设置一个膜桥600。由此，每个第二基底上均设置有一个mems组件，即柔性mems器件包括多个间隔设置的mems组件，第二基底具有较大的杨氏模量，可以为mems组件提供良好的支撑作用，而第一基底具有良好的柔性，可以承受较大的拉伸变形，有利于提高柔性mems器件的整体性能。

其中，多个mems组件的具体数量和排布方式不做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置和排布。在一些实施例中，mems组件可以如图11和图12所示的呈多行多列的阵列分布；在另一些实施例中，多个mems组件也可以呈不规则排布。

图12为受拉伸作用时柔性mems器件的结构示意图，其中，设置多个mems组件，第一基底可以承受拉伸变形，每个mems组件都由相应的第二基底提供支撑，均可保证mems组件的结构、功能和稳定性。

关于柔性mems器件的具体种类本发明中不做特别限定，可以包括但不限于，移相器、可重构天线、开关、以开关结构为基础的可重构通讯器件等，本领域技术人员也可根据实际情况进行选择。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种电子设备。该电子设备包括前面所述的柔性mems器件。由此，该电子设备具备前面所述的柔性mems器件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电子设备既能够承受拉伸变形，又能够保持mems组件的结构、功能和稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”、“另一个实施例”、“又一个实施例”、“一些实施例”、“一些具体实施例”、“另一些具体实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。