CN101478269B - 带有延伸臂的u型柔性梁复合材料电热微驱动器 - Google Patents

Abstract

一种带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，属于微机电系统技术领域。本发明包括：支撑基座、U型SU-8驱动层、U型金属加热层、热臂单元、冷臂单元、延伸臂。U型SU-8驱动层包括SU-8热臂、SU-8冷臂、SU-8柔性梁；U型金属加热层包括引线电极、蛇形金属热臂、金属冷臂、金属柔性梁；热臂单元包括SU-8热臂和蛇形金属热臂，冷臂单元包括SU-8冷臂和金属冷臂。U型金属加热层完全被U型SU-8驱动层包裹形成三明治结构，带有金属弧形触点的延伸臂垂直于或平行于热臂单元。本发明驱动位移较大、驱动端刚度较高、功耗低、能量利用率高、成本低。

Description

带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的微驱动器，具体是一种带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器。

背景技术

在最近几十年中，硅材料机械特性的应用使得微机电系统(MEMS)获得了迅速发展。在微机电系统中，微驱动器作为可动部分，其动作范围的大小、可动效率的高低以及动作的可靠性等指标决定了系统的成败，是微机电系统中最重要的环节，已经成为国内外研究的热点之一。微驱动器的动作主要是利用各种物理效应，典型的驱动机制有静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动等，目前人们已利用这些驱动机制制作了各种微驱动器件，被广泛运用于红外探测器、微镜、微夹钳、微继电器等。其中，电热型微驱动器可以将驱动电压转化为位移或者力。由于热驱动器具有非常低的驱动电压、能够产生较大的驱动力和驱动位移，并且所需的驱动电压、加工工艺等与集成电路兼容，因此在MEMS被广泛应用。

一般的电热型微驱动器是基于不同热膨胀系数的双层膜原理，利用双金属片效应工作的双层弯曲热执行器可以提供纵向的位移，已经在微机械光学器件、射频MEMS等领域获得应用。但是这种纵向驱动的面外电热驱动器有以下显著的缺点：1、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；2、由于双层膜材料之间具有较大的热膨胀系数差，在产生驱动位移的同时，因两者之间的热失配，使得它们之间的结合力较差；3、由于仅使用其中热膨胀系数较大的一层作为电热驱动层，其产生热量只有一部分传导到了双层结构，且热能散失较大，因此能量利用率较低。

环氧树脂型SU-8光刻胶是一种热膨胀材料，这种感光型聚合物被应用于热膨胀结构主要是因为它具有很高的热膨胀系数，将会生产优良的驱动性能；同时SU-8胶在微加工工艺上容易实现，且具有很好的热稳定性和化学稳定性。

经对现有技术的文献检索发现，WP Sassen等在《J.Micromech.Microeng.》(中文名《微机械与微工程》)2008年第18期第075033页上发表的题名“Animproved in-plane thermal folded V-beam actuator for optical alignment”(中文名称“一种用于光学调节的面内运动折叠式电热V型梁”)，该文献报道提出了一种改进结构的V型梁电热微驱动器，该设计采用多晶硅作为电热驱动部分，驱动电压在34V时产生15μm的位移，尽管这是一种改进后的V型驱动结构，但是如此高的驱动电压显然和集成电路标准工艺不兼容，而且由于该设计中多晶硅V型梁尖端刚度较弱，因而产生的驱动力也非常小。若想产生较大的驱动力，则需要更大的功率；同时，该结构响应较慢，重复利用易疲劳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，采用U型聚合物SU-8悬臂结构作为热驱动主体，蛇形蜿蜒的金属Ni电阻丝作为加热单元和柔性弹簧结构，当电极两端通入由一定电流时，金属Ni发热体将产生一定的焦耳热，由于金属Ni横截面、长度等几何尺寸在不同位置的差异，导致作为热臂的蛇形Ni电阻丝产生了比作为冷臂的Ni板更多的焦耳热，由于这种不同部位的热膨胀差异，在柔性复合梁结构的热臂端部产生一个微小的位移偏转，而延伸臂对该位移进行放大，从而使U型柔性复合梁结构的热驱动器能够产生较大位移。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：支撑基座、U型SU-8驱动层、U型金属加热层、带有金属弧形触点的延伸臂。所述U型SU-8驱动层包括SU-8热臂、SU-8冷臂、SU-8柔性梁；所述U型金属加热层包括引线电极、蛇形金属热臂、金属冷臂、金属柔性梁；其中：SU-8热臂和蛇形金属热臂构成热臂单元，SU-8冷臂和金属冷臂构成冷臂单元。

上述部件之间的连接关系为：引线电极位于支撑基座上方，蛇形金属热臂和金属冷臂分别与引线电极相连，U型SU-8驱动层与支撑基座相连，U型金属加热层完全被U型SU-8驱动层包裹形成三明治结构；蛇形金属热臂被SU-8热臂包裹，金属冷臂被SU-8冷臂包裹，金属柔性梁被SU-8柔性梁包裹；带有弧形触点的延伸臂与热臂单元相连形成对驱动位移的放大作用，通过延伸臂的金属弧形触点导通或断开外接回路。由U型SU-8驱动层、U型金属加热层和带有弧形触点的延伸臂组成的结构位于支撑基座之上，通过引线电极输入一定电流，整个器件形成一种复合悬臂梁式结构。

所述的U型金属发热层为具有蛇形弹簧结构的细而长的金属电阻丝和具有普通条状的粗而短的金属梁，前者形成蛇形金属热臂，后者形成金属冷臂，以及一个金属柔性梁。蛇形弹簧结构的蛇形金属热臂有两个功能：一是作为发热源将产生的热能全部传递给U型SU-8驱动层的SU-8热臂，二是作为弹簧机构实现对延伸臂的柔性屈服控制，以产生更大的驱动位移。针对金属冷臂具有较宽的结构，在驱动过程中不易变形的问题，在金属冷臂与引线电极结合处设计了一个金属柔性梁使得金属冷臂具有一定的柔性，更容易产生屈服形变。

所述的U型SU-8驱动层中聚合物SU-8热臂、SU-8冷臂和SU-8柔性梁，利用SU-8具有非常高的热膨胀系数这一特点，将上述U型金属发热层包裹起来形成三明治结构，充分吸收利用了发热单元的热能。针对SU-8冷臂具有较宽的结构，在驱动过程中不易变形的问题，在SU-8冷臂与基座支撑结构结合处设计了一个SU-8柔性梁使得SU-8冷臂具有一定的柔性，更容易产生屈服形变；同时，在应力较集中的部位如冷臂单元和热臂单元结合处，设置了一个应力卸载槽，可以有效地控制集中应力的出现。

所述的延伸臂为通过电镀技术制作的延伸梁结构，该结构与U型金属发热层中的蛇形金属热臂相连，形成一个对热臂单元端部偏转位移进行放大的外伸梁。在延伸臂的端部设计了一个金属弧形触点，相比其他如V形、方形、线形触点有更小的接触电阻，更有利于提高电接触的性能。

所述的支撑基座为金属基座，它是以石英或玻璃圆片为衬底，采用UV-LIGA(指通过紫外线曝光光刻技术形成高精度的模具，再对高精度的模具进行复制性高的电铸)技术电镀而成的金属支撑结构，引线电极位于基座支撑结构上方，形成与外部电路的电接触。

本发明以微机电系统加工技术为基础，采用室温下在石英或玻璃等绝缘衬底上多次叠层电镀及图形化材料来实现金属微结构的制作。本发明在施加一定脉冲电压的情况下，U型金属发热层将产生一定的焦耳热，由于U型金属发热层横截面、长度等几何尺寸在冷热臂上的差异，导致作为驱动主体的金属热臂比金属冷臂产生更多的焦耳热，由于这种不同部位的热膨胀差异，将在柔性复合梁结构的热臂单元端部产生一个微小的位移偏转，并通过延伸臂对该位移进行放大。因此，器件就可以在平行衬底方向产生一个面内运动的水平位移，并会输出一定的驱动力。在断开脉冲电源之后，器件冷却恢复室温，结构恢复平直。

与现有技术相比，本发明的主要优势在于：

1、采用蛇形结构的金属电阻丝作为金属热臂，一方面作为发热源起到通电过程中产生更多焦耳热的作用，另一方面作为弹簧单元使得延伸臂具有柔性屈服结构，将产生更大的位移和驱动力。

2、采用具有较大热膨胀系数的U型SU-8驱动层包裹金属发热层的结构，充分利用输入能量，有效提高了能量利用率，同时蛇形金属热臂作为骨架支撑SU-8结构，可以有效的防止U型SU-8热臂结构与基底粘连。

3、采用金属Ni作为延伸臂，由于Ni具有比多晶硅大的杨氏模量，相比背景技术中提及的末端刚度有较大的改善；在延伸臂端部与外接回路接触部分采用凸起弧形触点结构，将更有利于电接触；本发明中基于玻璃基底的工艺更简单易实现，成本更低廉，且电镀金属Ni和聚合物SU-8光刻胶在MEMS集成制造过程中都是非常成熟的工艺，适合大批量集成制造。

附图说明

图1是实施例1中延伸臂垂直于热臂单元的U型柔性梁复合材料电热微驱动器结构示意图；

图2是实施例1中延伸臂垂直于热臂单元的U型金属发热层结构示意图；

图3是实施例1中延伸臂垂直于热臂单元的U型SU-8驱动层结构示意图；

图4是实施例2中延伸臂平行于热臂单元的U型柔性梁复合材料电热微驱动器结构示意图；

图5是实施例2中延伸臂平行于热臂单元的U型金属发热层结构示意图；

图6是实施例2中延伸臂平行于热臂单元的U型SU-8驱动层结构示意图。

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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1延伸臂垂直于热臂单元的U型柔性梁复合材料电热微驱动器

如图1-3所示，本实施例延伸臂垂直于热臂结构的U型柔性梁复合材料电热微驱动器包括：支撑基座1、U型SU-8驱动层2、U型金属发热层3(被U型SU-8驱动层2包裹)、延伸臂4。

所述U型SU-8驱动层2包括SU-8热臂12、SU-8冷臂13、SU-8柔性梁14；所述U型金属加热层3包括引线电极11、蛇形金属热臂7、金属冷臂8、金属柔性梁9；其中：SU-8热臂12和蛇形金属热臂7构成热臂单元5，SU-8冷臂13和金属冷臂8构成冷臂单元6。延伸臂4垂直于热臂单元5。

引线电极11位于支撑基座1上方，蛇形金属热臂7和金属冷臂8分别与引线电极11相连，U型SU-8驱动层2与支撑基座1相连，U型金属加热层3完全被U型SU-8驱动层2包裹形成三明治结构；蛇形金属热臂7被SU-8热臂12包裹，金属冷臂8被SU-8冷臂13包裹，金属柔性梁9被SU-8柔性梁14包裹；带有弧形触点的延伸臂4与热臂单元5相连形成对驱动位移的放大作用。由U型SU-8驱动层2、U型金属加热层3和带有弧形触点的延伸臂4组成的结构位于支撑基座1之上。热臂单元5主要是对结构的运动(热膨胀)产生驱动作用，冷臂单元6主要是对热臂单元5的运动产生制约作用，垂直于热臂单元的延伸臂4与U型金属发热层3相连，整体构成了一种U型柔性梁复合材料电热微驱动器。

本实施例中，支撑基座1是以石英或玻璃圆片为衬底形成的金属支撑结构。

本实施例中，蛇形金属热臂7是具有蛇形弹簧结构的金属电阻丝，金属冷臂8是具有普通条状的金属梁。

图2是本实施例中延伸臂垂直于热臂单元的U型金属发热层结构示意图，U型金属发热层3包括：引线电极11、蛇形金属热臂7、金属冷臂8、金属柔性梁9。其中垂直于热臂单元5中蛇形金属热臂7的延伸臂4与U型金属发热层3相连，细长的蛇形金属热臂7既作为发热电阻丝对粗短的热臂单元5提供焦耳热，又对延伸臂4的运动起到制约作用，金属冷臂8主要对蛇形金属热臂7起到牵制的作用，在金属冷臂8与引线电极11接处有一个长100-200微米、宽20-50微米的金属柔性梁9，它主要是对金属冷臂8起到缓冲和屈服的作用。

延伸臂4端部10-50微米范围内有一个金属弧形触点10可以联通外电路，引线电极11主要是给U型金属发热层3提供电流输入。

图3是本实施例中延伸臂垂直于热臂单元的U型SU-8驱动层结构示意图，U型SU-8驱动层2包括：SU-8热臂12、SU-8冷臂13、SU-8柔性梁14。其中细长的SU-8热臂12与粗短的SU-8冷臂13相连，SU-8冷臂13通过SU-8柔性梁14与支撑基座1相连，SU-8冷臂13主要对SU-8热臂12的热膨胀运动起到牵制作用，SU-8柔性梁14主要是对SU-8冷臂12起到缓冲和屈服的作用。

本实施例在SU-8冷臂13和SU-8热臂12连接处具有一个直径10-20微米的应力卸载槽15，它主要是对集中应力起到缓解和释放的作用。

本实施例中，所述的蛇形金属热臂7是细长的蛇形弹簧形状，金属冷臂8是粗短的普通条状，金属柔性梁9与金属冷臂8相连构成柔性屈服机构。

本实施例采用牺牲层UV-LIGA技术，制备出带有垂直于热臂单元的延伸臂结构的U型柔性梁复合材料电热微驱动器。具体微加工工艺：

1、清洗玻璃基片，120℃高温烘烤；

2、溅射种子层Cr/Cu，其中Cr粘结层

Cu种子层

3、甩光刻胶，热基座掩膜版光刻显影，电镀金属Ni基座；

4、程控烘箱中90℃坚膜；

5、甩负胶SU-8，热驱动层掩膜版光刻显影；

6、溅射种子层，甩光刻胶，金属发热层掩膜版光刻显影，电镀金属Ni发热单元；

7、NaOH溶液去除正胶，去除种子层，甩负胶SU-8，热驱动层掩膜版光刻显影；

8、释放结构。

实施例2延伸臂平行于热臂单元的U型柔性梁复合材料电热微驱动器

如图4-6所示，本实施例延伸臂平行于热臂单元的U型柔性梁复合材料电热微驱动器包括：支撑基座1、U型SU-8驱动层2、U型金属发热层3(被U型SU-8驱动层2包裹)、延伸臂4。

所述U型SU-8驱动层2包括SU-8热臂12、SU-8冷臂13、SU-8柔性梁14、应力卸载槽15；所述U型金属加热层3包括引线电极11、蛇形金属热臂7、金属冷臂8、金属柔性梁9；其中：SU-8热臂12和蛇形金属热臂7构成热臂单元5，SU-8冷臂13和金属冷臂8构成冷臂单元6。延伸臂4平行于热臂单元5，其他结构与实施例1基本相同。

支撑基座1位于石英或玻璃衬底上方，U型结构的SU-8驱动层2位于支撑基座1的上方，U型金属发热层3(如图5所示)完全被U型SU-8驱动层2包裹形成三明治结构，热臂单元5主要是对结构的运动(热膨胀)产生驱动作用，冷臂单元6主要是对热臂单元5的运动产生制约作用，平行于热臂单元5的延伸臂4与U型金属发热层3相连，整体构成了一种U型柔性梁复合材料电热微驱动器。

图5是本实施例中延伸臂平行于热臂单元的金属发热层结构示意图，U型金属发热层3包括：引线电极11、蛇形金属热臂7、金属冷臂8、金属柔性梁9。其中平行于热臂单元5中蛇形金属热臂7的延伸臂4与U型金属发热层3相连，细长的蛇形金属热臂7既作为发热电阻丝对粗短的热臂单元5提供焦耳热，又对延伸臂4的运动起到制约作用，金属冷臂8主要对蛇形金属热臂7起到牵制的作用，在金属冷臂8与引线电极11接处有一个长100-200微米、宽20-50微米的金属柔性梁9，它主要是对金属冷臂8起到缓冲和屈服的作用。延伸臂4端部10-50微米范围内有一个金属弧形触点10可以联通外电路，引线电极11主要是给U型金属发热层3提供电流输入。

图6是本实施例中延伸臂平行于热臂单元的U型SU-8驱动层结构示意图，U型SU-8驱动层2包括：SU-8热臂12、SU-8冷臂13、SU-8柔性梁14、应力卸载槽15。其中细长的SU-8热臂12与粗短的SU-8冷臂13相连，SU-8冷臂13通过SU-8柔性梁14与支撑基座1相连，SU-8冷臂13主要对SU-8热臂12的热膨胀运动起到牵制作用，SU-8柔性梁14主要是对SU-8冷臂13起到缓冲和屈服的作用，在SU-8热臂12和SU-8冷臂13连接处具有一个直径10-20微米的应力卸载槽15，它主要是对集中应力起到缓解和释放的作用。

本实施例采用牺牲层UV-LIGA技术，制备出了带有平行于热臂单元的延伸臂结构的U型柔性梁复合材料电热微驱动器。具体微加工工艺：

1、清洗玻璃基片，120℃高温烘烤；

2、溅射种子层Cr/Cu，其中Cr粘结层

Cu种子层

3、甩光刻胶，基座掩膜版光刻显影，电镀金属Ni基座；

4、程控烘箱中90℃坚膜；

5、甩负胶SU-8，热驱动层掩膜版光刻显影；

6、溅射种子层，甩光刻胶，金属发热层掩膜版光刻显影，电镀金属Ni发热单元；

7、NaOH溶液去除正胶，去除种子层，甩负胶SU-8，热驱动层掩膜版光刻显影；

8、释放结构。

本实施例针对以往双层膜结构和V型结构等电热微驱动器不具备柔性结构、功耗较大、成本较高、且能量利用率低等缺点，对U型结构的普通电热驱动器进行改进，提出了一种带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器。

Claims (8)

1.一种带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征在于包括：支撑基座、U型SU-8驱动层、U型金属加热层、带有金属弧形触点的延伸臂，其中：所述U型SU-8驱动层包括SU-8热臂、SU-8冷臂、SU-8柔性梁，所述U型金属加热层包括引线电极、蛇形金属热臂、金属冷臂、金属柔性梁，连接关系为：引线电极位于支撑基座上方，蛇形金属热臂和金属冷臂分别与引线电极相连，U型SU-8驱动层与支撑基座相连，U型金属加热层完全被U型SU-8驱动层包裹形成三明治结构，蛇形金属热臂被SU-8热臂包裹，金属冷臂被SU-8冷臂包裹，金属柔性梁被SU-8柔性梁包裹，SU-8热臂和蛇形金属热臂构成热臂单元，带有金属弧形触点的延伸臂与热臂单元相连，由U型SU-8驱动层、U型金属加热层和带有金属弧形触点的延伸臂组成的结构位于支撑基座之上，整个器件形成一种复合悬臂梁式结构，金属柔性梁位于金属冷臂和引线电极之间。

2.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述的蛇形金属热臂是具有蛇形弹簧结构的金属电阻丝，金属冷臂是具有普通条状的金属梁。

3.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述延伸臂垂直于或平行于该热臂单元。

4.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述延伸臂端部10-50微米的范围内设有一个金属弧形触点。

5.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述金属柔性梁、SU-8柔性梁，它们的长为100-200微米、宽为20-50微米。

6.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述SU-8热臂和SU-8冷臂的连接处设有一个应力卸载槽。

7.根据权利要求6所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征是，所述应力卸载槽，其直径为10-20微米。

8.根据权利要求1所述的带有延伸臂的U型柔性梁复合材料电热微驱动器，其特征为，所述的支撑基座是以石英或玻璃圆片为衬底形成的金属支撑结构。

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