CN100566120C - 聚合物基面外运动电热微驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种聚合物基面外运动电热微驱动器，属于微机电系统技术领域。本发明包括：基座支撑结构、引线电极、功能翘曲层、翘曲牵制层；翘曲牵制层位于功能翘曲层上方，形成双层结构，引线电极与功能翘曲层相连，用于电输入，引线电极置于基座支撑结构之上；所述的功能翘曲层为SU-8胶包裹镍电阻条构成的三明治结构，被SU-8胶包裹的还有镍电柱，镍电柱用于支撑起镍电阻条，使镍电阻条悬空被SU-8胶包裹。本发明用聚合物基包裹镍电阻丝直接作为功能翘曲层，实现了面外运动，同时也很好地改善了双层结构电热驱动器释放后悬空部分难以保持平直的现象；当输入功率为20mW时，位移功率密度达290nm/mW。
Description
技术领域
本发明涉及一种微驱动器，具体是一种聚合物基面外运动电热微驱动器，属于微机电系统技术领域。
背景技术
在MEMS器件中，微驱动器是一个主要组成部分。根据驱动器的运动方式，可分为面内驱动器和面外驱动器。面外驱动器可以把输入信号转化为沿基底法线方向的位移量。被广泛运用于光扫描仪，光开关，微继电器，可变电容等。诸如电磁，静电，电热和压电驱动机理均曾被用于面外驱动器。而电热微驱动器具有驱动电压低，制备工艺简单且可以和CMOS工艺相兼容的优势，是一种适合微尺度结构的驱动机制，用于驱动各种MEMS器件。
现有的面外热驱动器多为多层结构。如双层电热微驱动器运用双层结构来获得面外运动。这些双层结构由两种热膨胀系数不同的材料构成，在存在一定的温度差时，由于每层热膨胀程度不同而产生面外的位移。单层金属结构也有研究，虽然能实现双向运动但其输入功率高且面外驱动位移小，较少应用。
许多材料组合的形式均可实现电热面外驱动，最常见的为金属和氮化硅，多晶硅或二氧化硅等材料构成的双层悬臂结构。但是电热面外驱动器有以下显著的缺点：工艺过程中存在的残余应力使得结构在最后释放悬空的时候即出现了末端翘曲，不能保持悬臂结构的平直；若想产生较大的翘曲位移，需较大功率，位移功率密度较低；结构重复利用易疲劳；响应频率低，响应时间较长。
经对现有技术的文献检索发现，J.Teng*等在《Sensors and Actuators A》(《传感器与执行器A》，2005年123/124期608-613页)发表了题为“Focusedion beam fabrication of thermally actuated bimorph cantilevers”(“用聚焦离子束法制造热驱动双层膜悬臂梁”)的论文，提出了以金和氮化硅为双层结构，氮化硅上沉积的铂为热源的双层结构电热微驱动器的制备。由于工艺过程中化学气相沉积氮化硅和溅射金的过程中存在残余应力，这些残余应力以及双层结构过薄和结构厚度不均等因素的存在使得器件在悬空释放之后，即出现明显的末端翘曲；且双层结构的热源来自于结构上方的薄层铂，其产生热量只有一部分传导到了双层结构，能量利用率不高。且工艺复杂，对工艺条件提出较高要求，成本很高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种聚合物基面外运动电热微驱动器，使双层结构电热微驱动器悬空部分保持基本平直，并显著提高驱动器的位移功率密度，输入较小的功率即能实现较大的面外翘曲位移。采用SU-8胶包裹镍电阻丝的三明治结构，充分利用输入能量。由于散热比表面的增大，微结构的散热速度会显著优于宏观结构。工艺简单易实现，成本低廉适合大批量集成制造。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基座支撑结构、引线电极、功能翘曲层、翘曲牵制层。翘曲牵制层位于功能翘曲层上方，形成双层结构。引线电极与功能翘曲层相连，用于电输入，引线电极置于基座支撑结构之上，双层结构的另一端悬空，整个器件形成一种悬臂梁式结构。
所述的基底支撑结构为硅基底，在硅片正面为聚合物基面外运动电热微驱动器结构，背面开出窗口，使得结构悬空。
所述的功能翘曲层为聚合物SU-8胶包裹镍电阻条构成的三明治结构，被SU-8胶包裹的还有镍电柱，镍电柱用于支撑起镍电阻条以使之悬空被SU-8胶包裹。被SU-8胶包裹的镍电阻条由两排上下对称的纵向栅形镍电阻条相连而成。镍电阻条下端有四排横向平行并且横向等间距排布的方形阵列的镍电柱，镍电柱位于镍电阻条“几”字形状的横梁下，可以支撑起镍电阻条，使得镍电阻条悬空，以方便SU-8胶包裹。
所述的翘曲牵制层为横向排布的镍电阻条，横向镍电阻条再在纵向等间距排布，形成若干平行的横向镍电阻条，镍电阻条之间相互不连通，其作用为牵制双层结构向翘曲牵制层方向翘曲。
本发明以微机电系统加工技术为基础，采用室温下在双面抛光氧化硅片衬底上多次叠层电镀及图形化材料来实现结构的制作。本发明在施加电压的情况下，结构产生焦耳热，随之产生一定的机械延展性，由于双层结构热膨胀系数不同，向热膨胀系数小的镍电阻条方向翘曲，产生面外翘曲位移并输出力。在断开电源之后，结构冷却恢复室温，结构恢复平直。
与现有技术相比，本发明针对以往双层结构电热微驱动器常温不通电情况下悬空部分难以保持平直，输入功率大，位移功率密度不高等方面存在的问题，提出了一种新型的聚合物基电热微驱动器，对初始翘曲问题有了很大的改善，器件基本保持平直，当输入功率为20mW时，位移功率密度可达290nm/mW。相比J.Teng*等在论文中涉及的金和氮化硅双层结构而言，此结构工艺简单，不必涉及溅射功能层等工艺步骤，所用材料仅为镍和SU-8胶，成本低廉，适合大批量集成制造。
附图说明
图1是实施例1新型聚合物基电热微驱动器的结构示意图
图2是实施例1的镍电柱支撑结构示意图
图3是实施例1的镍电阻条通电置热翘曲部分的结构示意图
图4是实施例1的被镍电柱支撑悬空的镍电阻条结构示意图
图5是实施例1的SU-8胶包裹镍电阻条的结构示意图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例聚合物基电热微驱动器包括：基座支撑结构1、引线电极2、功能翘曲层3、翘曲牵制层4；基座支撑结构1位于引线电极2的下端，用于对双层结构的支撑作用，引线电极2位于基座支撑结构1之上，功能翘曲层3和翘曲牵制层4构成双层结构，其中功能翘曲层3位于翘曲牵制层4下端。其中功能翘曲层为聚合物SU-8胶7包裹镍电阻条6构成的三明治结构，被SU-8胶7包裹的还有镍电柱5，镍电柱5用于支撑起镍电阻条6以使之悬空被SU-8胶7包裹。
图2是镍电柱5的示意图，镍电柱5为长宽相等范围在5-50微米，高度在3微米左右的正四棱柱。镍电柱四排横向平行，并且横向等间距排布，位于镍电阻条“几”字形状的横梁下，可以支撑起镍电阻条，使得镍电阻条悬空，以方便SU-8胶包裹。
图3是功能翘曲层中SU-8胶包裹的镍电阻条6的示意图，此镍电阻条6为两排上下对称平行的栅形对称结构，镍电阻条6在功能翘曲层3悬空末端相连接，在功能翘曲层3始端，镍电阻条6和引线电极2相连。镍电阻条6线宽为3-50微米，厚为2-4微米，其形状，线宽，厚度可以根据电阻值的要求改变，如为增大电阻值，以减小输入功率，可以增加其长度，减小其厚度。
图4是被镍电柱5支撑悬空的镍电阻条6。
图5是SU-8胶7包裹图4结构形成完整的功能翘曲层3，SU-8胶厚度大约为6-8微米。
图1中的翘曲牵制层4为横向镍电阻条，镍电阻条在纵向等间距排布，间距与镍电阻条等宽，为5-50微米，厚度为3-8微米，其作用仅仅为牵制功能翘曲层3向翘曲牵制层4方向翘曲。
在引线电极2上加载外加电压，镍电阻条6中有电流流过，产生焦耳热，热量传导，使整个双层结构产生一定的机械延展，功能翘曲层3和翘曲牵制层4之间存在热失配，功能翘曲层3膨胀得比翘曲牵制层4厉害，由于一端被固定在基座支撑结构1上，使得双层结构悬空一端向翘曲牵制层4一方翘曲。在没有加载电压时，保持结构平直。以镍电阻条6中加载和断开电流来实现两种状态：翘曲或平直的转换。
Claims (9)
1、一种聚合物基面外运动电热微驱动器，包括：基座支撑结构、引线电极、功能翘曲层、翘曲牵制层，其特征在于：翘曲牵制层位于功能翘曲层上方，形成双层结构，引线电极与功能翘曲层相连，用于电输入，引线电极置于基座支撑结构之上；所述的功能翘曲层为SU-8胶包裹镍电阻条构成的三明治结构，被SU-8胶包裹的还有镍电柱，镍电柱用于支撑起镍电阻条，使镍电阻条悬空被SU-8胶包裹。
2、根据权利要求1所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的基座支撑结构是双面抛光氧化硅片。
3、根据权利要求1所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的SU-8胶包裹着的镍电阻条是由两排上下对称的纵向栅形镍电阻条相连而成，镍电阻条下端有四排横向平行并且横向等间距排布的方形阵列的镍电柱，镍电柱位于镍电阻条“几”字形状的横梁下。
4、根据权利要求1或3所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的SU-8胶包裹着的镍电阻条线宽为3-50微米，厚为2-4微米。
5、根据权利要求1或3所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的镍电柱是长宽相等的正四棱柱，其长宽范围在5-50微米，高度为3微米。
6、根据权利要求1或3所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，在所述功能翘曲层末端被SU-8胶包裹着的两排镍电阻条相连，功能翘曲层始端的镍电阻条与两个引线电极相连。
7、根据权利要求1或3所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述SU-8胶厚度为6-8微米。
8、根据权利要求1所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的翘曲牵制层是横向的第二镍电阻条，该第二镍电阻条在纵向形成等间距平行排布。
9、根据权利要求8所述的聚合物基面外运动电热微驱动器，其特征是，所述的翘曲牵制层中第二镍电阻条间距与第二镍电阻条等宽，为5-50微米，该第二镍电阻条厚度为3-8微米。
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