CN101488724B - 多种聚合物复合材料电热微驱动器 - Google Patents

Abstract

一种多种聚合物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：基座支撑结构、引线电极、功能膨胀层、应力控制层；应力控制层位于功能膨胀层下方，形成双层结构；功能膨胀层是SU-8胶包裹发热电阻丝构成的复合结构；引线电极与发热电阻丝相连，置于应力控制层上；基座支撑结构上有金属柱阵列，能增强与应力控制层的结合力。本发明的双层结构的伸长端即悬臂梁，是驱动的核心部件，受热产生翘曲，恢复到室温时基本保持平直；作为一个具体实例，发热电阻丝条宽15微米，厚度3微米，功能膨胀层厚度10微米，应力控制层厚度10微米，仿真计算得到输入功率为20mW，10ms后悬臂梁驱动位移达到约80微米。

Description

多种聚合物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，具体是一种多种聚合物复合材料电热微驱动器。

背景技术

在微机电系统中，驱动器是一个主要组成部分，它能够把电信号转化为其他形式的运动，被广泛运用于光扫描仪，光开关，微继电器，可变电容等。微机电系统需要的驱动器类型也是多种多样的，需要开发采用多种结构和性能的驱动器，诸如电磁，静电，电热和压电驱动原理均曾被用于制作适应各种应用需要的驱动器。尽管如此现有的驱动器设计仍无法满足不同场合下的应用需求，例如静电式驱动器驱动电压过大，容易出现吸倒效应(Pull-down effect)，电磁式和压电式驱动器的驱动力体积密度比较小。而电热微驱动器具有驱动电压低，驱动力体积密度大的特点，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，用于驱动各种微机电系统(MEMS)器件。

一种热驱动器利用两种不同热膨胀系数材料的耦合变形来产生驱动，即双金属效应。双金属效应并不仅限于两种金属产生的效果，它也包括两种不同性质的相互耦合的材料产生的效果。一般这种热驱动器的加热源使两种热膨胀系数不同的材料受热，就会使它们产生不同程度的膨胀，由于两者互相牵制致使整个结构产生垂直于交界面的弯曲。该设计方案的优点包括近似线性的驱动位移量和能量的依赖关系以及能够适应环境的高稳定性，比如热驱动器能够运行于热传导相当低的液体中。典型的应用双金属效应的结构是双层膜结构电热驱动器，它使用热膨胀系数差别较大的两种材料，当受热膨胀后，由于每层热伸缩长度不同而使驱动部件产生垂直于两种材料界面的位移。

许多材料组合的形式均可实现电热面外驱动，一些无机材料如最常见的金属和氮化硅，多晶硅或二氧化硅等材料构成的双层膜结构。这方面的研究实例有Reithmüller和Benecke在1988年首次演示了一种基于金和硅不同热膨胀的双层膜驱动器。他们使用高达200mW的驱动器组来获得100μm的位移。但是这类电热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；一般电热驱动器的功耗较大，位移功率密度较低；结构重复动作后易疲劳；响应时间较长，因此应用范围有限。

由于传统材料制作的双层结构热驱动器有以上缺点，因此开发和应用新型材料和结构制作热驱动器成为研究热点。

经对现有技术的文献检索发现，G.K.Lau*等在《JOURNAL OF MICROMECHANICSAND MICROENGINEERING》(《微机械与微工程》，2007年17期174-183页)发表了题为“An in-plane thermal unimorph using confined polymers”(“束缚聚合物制作面内热形变体”)的论文，提出了以铝、SU-8胶和硅为材料制作复合形变结构。该结构为硅骨架之间填充SU-8胶，硅骨架的外侧蒸镀金属铝电路。SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。热形变体的工作原理是：铝电路通电发热对硅骨架加热，然后硅骨架再对SU-8胶导热，SU-8胶膨胀挤压硅骨架使之变形，继而实现形变结构的面内运动。该制备过程中需要深度反应离子刻蚀和铝蒸镀，工艺十分复杂，成本十分的高。该形变结构的主体结构是硅骨架，硅的杨氏模量很大((100)晶面180GPa)，导致形变结构体的悬臂梁刚度过大，其工作时所需的热量来自硅上沉积的铝电路，铝电路发热产生的热量只有一部分传递给硅和SU-8胶。因此SU-8胶受热膨胀程度不显著，结构的变形程度不大，末端位移较小，能量利用率低，功率密度小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多种聚合物复合材料电热微驱动器，充分利用两种聚合物的机械性质和热学性质，可显著提高成品率，即电热微驱动器在制作完成后驱动臂部分保持基本平直，并且输入较小的功率即能实现较大的面外位移。

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、功能膨胀层、应力控制层。功能膨胀层由膨胀材料即SU-8胶包裹发热电阻丝构成，发热电阻丝与引线电极相连，引线电极穿过功能膨胀层固定在应力控制层上，应力控制层固定在带有金属柱阵列的基座支撑结构上。这样功能膨胀层和应力控制层形成双层结构，双层结构一端固定在基座支撑结构上，另一端伸长部分即悬臂梁悬空，整个器件形成一种悬臂梁式结构。

所述功能膨胀层的膨胀材料为环氧树脂型聚合物SU-8胶。

所述功能膨胀层中的发热电阻丝材料为镍。

所述应力控制层，其材料为聚酰亚胺。

所述的引线电极用于连接外接电路向发热电阻丝供电。

所述的基底支撑结构以及金属柱阵列的材料不限，可由镍、铜等组成，分两次光刻由电镀工艺获得。

本发明以微机电系统加工技术为基础，采用室温下在UVLIGA技术，包括种子层溅射、多次叠层电镀及材料图形化、研磨、亚胺化处理等工艺来实现结构的制作。本发明在施加电压的情况下，发热电阻丝产生焦耳热，热量随即向两侧传递，由于发热电阻丝结构两侧的SU-8胶和聚酰亚胺热膨胀系数不同，因此功能膨胀层伸长致使悬臂梁向伸长程度微弱的应力控制层方向翘曲，从而产生垂直于界面的翘曲位移，在断开电源之后，结构冷却至室温，恢复平直。

本发明中，聚合物复合材料电热微驱动器能够最大限度的利用输入能量，降低功耗。由于发热电阻丝散热比表面的增大，使微结构的热传导速度会显著优于宏观结构以及同类设计结构，驱动器中的功能膨胀层是高热膨胀系数的SU-8胶(54ppm以及更大)能够迅速受热膨胀，而应力控制层中的聚酰亚胺的热膨胀系数(13ppm)比较小，膨胀微弱，因此功能膨胀层和应力控制层热失配较大，悬臂梁会显著的弯曲。

本发明中，在制作过程中，该结构设计能够使悬臂梁在结构释放后和器件初始状态下保持基本平直。这是由于处在发热电阻丝两侧的SU-8胶和聚酰亚胺在界面处紧密结合，两者的杨式模量相当，惯性矩(与厚度有关)大致一致，能够共同束缚中间的金属电阻丝的伸展，从而有效的抑制电镀的金属电阻丝内应力产生的形变，达到使悬臂梁保持平直的目的。一般电镀的金属内应力都比较大，如果电镀金属的两侧没有材料同时予以束缚，悬臂梁将会弯曲。

本发明中，驱动器的优点首先是响应时间较快，功耗较小，原因在于器件采用了高热膨胀率材料即环氧树脂SU-8胶(约54ppm)和发热电阻丝散热比表面大的结构即SU-8胶包裹发热电阻丝。该结构中的聚酰亚胺和镍的膨胀系数相近而且比较小(约13ppm)，与SU-8胶组合后形成良好的双层结构的材料搭配。功能膨胀层中的高热膨胀率的SU-8胶，受热能够迅速膨胀，而应力控制层中的聚酰亚胺与金属镍的热膨胀系数比较小，两者膨胀程度有限。因此发热电阻丝产生焦耳热后功能膨胀层显著伸长，应力控制层微弱伸长，两层膜相互牵制导致悬臂梁会显著的弯曲，从而产生驱动力和位移。其次该电热微驱动器使用寿命比较长，原因在于所选用的材料性质稳定机械强度好。镍属于过渡金属元素，化学性质稳定，不易氧化，杨氏模量大(约200GPa)机械延展性好，提高了器件的使用寿命。环氧树脂型聚合物SU-8胶杨氏模量比一般聚合物大，交联处理过后耐酸耐碱抗腐蚀，并且SU-8胶有多种型号可供选择，可满足各种工作温度场合和驱动力大小的应用需要。聚酰亚胺在亚胺化处理过后，也耐酸耐碱抗腐蚀，杨氏模量大弹性好，也可以提高器件的使用寿命。此外电热驱动器结构简洁实用，所选用的材料加工工艺相对简单，因此工艺简单易实现，成本低廉适合大批量集成制造。

本发明针对以往双层结构电热微驱动器的悬空结构初始状态下难以保持平直，所需的驱动功率过大，位移功率密度不高等方面存在的问题，提出了一种新型的多种聚合物复合材料电热微驱动器。该电热驱动器从结构和材料方面均作了重要改进，它的功耗小，响应速度快，并且使用寿命长，工艺相对简单，不必涉及高温蒸镀铝，感应耦合等离子体ICP刻蚀硅等工艺步骤。对实际制作过程中悬臂梁的初始翘曲问题有了很大的改善，器件的悬空结构部分基本保持平直，当输入功率为20mW，仅仅需要持续10ms，末端位移已经达到80μm。本发明成本低廉，适合大批量集成制造。

附图说明

图1是实施例1多种聚合物复合材料电热微驱动器的结构示意图；

图2是实施例1的基座及其金属柱阵列的结构示意图；

图3是实施例1的引线电极和其连通的发热电阻丝结构示意图；

图4是实施例1的应力控制层的结构示意图；

图5是实施例1的悬空的双层结构的横截面示意图。

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。

如图1所示，本实施例多种聚合物复合材料电热微驱动器包括：基座支撑结构1、引线电极2、功能膨胀层3、应力控制层4。功能膨胀层3由膨胀材料SU-8胶包裹发热电阻丝5构成，发热电阻丝5与引线电极2相连，引线电极2穿过功能膨胀层3固定在应力控制层4上，应力控制层4固定在带有金属柱阵列的基座支撑结构1上。这样功能膨胀层3和应力控制层4形成双层结构，双层结构一端固定在基座支撑结构1上，另一端伸长部分即悬臂梁悬空，整个器件形成一种悬臂梁式结构。

膨胀材料SU-8胶6三面包裹发热电阻丝5，以获得较大的传热面积，功能膨胀层3正对基座支撑结构1开两个窗口对应引线电极2。

图2是基座支撑结构，包括基座7和金属阵列8，基座7上面是金属阵列8，两者均为金属，结合强度好，金属柱阵列8可以增强应力控制层4与基座支撑结构1的结合强度。基座7和金属阵列8由电镀金属工艺制得，比如电镀镍或电镀铜。基座7是矩形柱，具体尺寸可以根据应用需要而决定。金属阵列8采用与基座7相同的材料，金属阵列8由多个金属柱单元有序排列构成，金属柱单元的尺寸为，长度50-200微米，宽度50-200微米，高度2-10微米，其具体尺寸根据需要可调整。金属柱阵列8的排列方式由基座的尺寸和金属柱的尺寸共同决定，以应力控制层4和基座支撑结构1结合效果达到最佳为准。

图3是引线电极和发热电阻丝的示意图。

引线电极2材料为镍，引线电极2为长宽相等范围在50-600微米，高度在5-20微米左右的矩形柱，为使电极与双层结构更好的结合，可以在矩形柱的底部增加一层面积更大的镍方块，如图3所示。两个引线电极2分别与发热电阻丝5两端相连，用于电流输入。

发热电阻丝5材料为镍，电阻丝横向呈栅形等间距排布。发热电阻丝5条宽为3-50微米，间距为3-50微米，厚度为3-10微米，其形状、线宽和间距、厚度可以根据驱动功耗和驱动性能的要求改变，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。电阻丝5三面被SU-8胶包裹，向SU-8胶散热以获得较大的散热比表面积。

图4是应力控制层4的透视图。应力控制层4中是亚胺化过后的聚酰亚胺，它的厚度与SU-8胶厚度要匹配。应力控制层4的下方是图2介绍的基座支撑结构1，它的下半部分有若干空洞阵列用于嵌套金属阵列8，可以增强应力控制层4与基座支撑结构1的结合力，解决不同性质材料仅靠接触所获得的结合力差的问题。应力控制层由性质稳定、低热膨胀率、耐酸耐碱抗腐蚀的聚酰亚胺构成。如果是电镀获得发热电阻丝5，那么应力控制层4上还会残留用于电镀导电的种子层图形，其形状与发热电阻丝5的形状相同。如果是溅射工艺获得发热电阻丝5，则应力控制层上不会有种子层图形。

图5是多种聚合物复合材料电热驱动器的横截面示意图。如图可见金属阵列8有序排列在基座7上，金属阵列8的一端插入应力控制层4中，用于增强应力控制层4与基座支撑结构1的结合力。引线电极2穿过功能膨胀层3座落在应力控制层上，它的一端用于外接电路，另一端连接发热电阻丝5。引线电极有至少两个，分别接在发热电阻丝5两端，用于电流输入。

SU-8胶6包裹发热电阻丝5构成功能膨胀层3。SU-8胶6的厚度约为6-20微米，保证能够覆盖发热电阻丝5。功能膨胀层3与应力控制层4紧密结合构成双层结构。双层结构的一端固定在基座支撑结构1上，另一端伸长部分成为悬臂梁，成为驱动位移和驱动力输出的核心部件。整个器件形成一个悬臂梁式的结构。

在引线电极2上加载外加电压，发热电阻丝5中有电流流过，产生焦耳热，热量传导使整个双层结构受热膨胀，功能膨胀层3和应力控制层4所用材料的热膨胀率不同，它们之间存在热失配，功能膨胀层3伸长程度比应力控制层4伸长的程度大许多，双层结构就会变形向应力控制层4卷曲，由于双层结构的一端被固定在基座支撑结构1上，使得双层结构的悬空部分即悬臂梁的自由端向应力控制层4一方翘曲。断开加载电压时，器件散热至室温，悬臂梁将回复平直。因此可以以镍电阻丝5中加载和断开电流来实现悬臂梁的两种状态：弯曲或平直，从而实现驱动器静止或工作的状态。

Claims (8)

1.一种多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征在于包括：基座支撑结构、引线电极、功能膨胀层、应力控制层，功能膨胀层由膨胀材料SU-8胶包裹发热电阻丝构成，发热电阻丝与引线电极相连，引线电极穿过功能膨胀层固定在应力控制层上，应力控制层固定在带有金属柱阵列的基座支撑结构上，这样功能膨胀层和应力控制层形成双层结构，双层结构一端固定在基座支撑结构上，另一端伸长部分形成悬臂梁悬空，构成整个器件的悬臂梁式结构，所述基座支撑结构包括基座和金属柱阵列，基座上面是金属柱阵列，两者均为金属。

2.根据权利要求1所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述应力控制层，其材料为聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述的金属柱阵列为矩形柱，长度50-200微米，宽度50-200微米，高度2-10微米。

4.根据权利要求1所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述功能膨胀层中的发热电阻丝材料为镍。

5.根据权利要求1所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述SU-8胶厚度为6-20微米。

6.根据权利要求1或4所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述发热电阻丝呈栅状等间距排布，线宽为3-50微米，所述间距为3-50微米，厚度为3-10微米。

7.根据权利要求2所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述应力控制层嵌套在基座支撑结构的金属柱阵列上，应力控制层和SU-8胶紧密结合，并处于功能膨胀层下方，聚酰亚胺的厚度与上层功能膨胀层的SU-8胶厚度相同。

8.根据权利要求1所述的多种聚合物复合材料电热微驱动器，其特征是，所述引线电极为矩形柱，其长宽范围在50-600微米，高度为5-20微米。

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