CN1768003A - 热致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非对称MEMS热致动器装置，其包括一个基板部，一般是一对连接垫板，和一个致动器单元，它通过一个挠曲单元与基板部连接。致动器单元有第一臂和第二臂，第一臂与第二臂并排间隔地设置。第二臂比第一臂宽，这样当电流通过其中时，由于两臂所受加热程度的不同，致动器单元就会绕所述挠曲单元弯曲。在第二臂上邻近第一臂处设有一个切口区，以增加至少在切口部位两臂的间距。最好，在邻近第二臂的侧面处再设一散热部。

Description

热致动器
发明领域
本发明涉及微电动机械系统(MEMS)装置，具体地说涉及一种非对称热致动器，该致动器适用于作为光纤系统中的可变光阻尼器。
背景技术
可变光阻尼器(VOAs)在光纤系统中是用来控制光照射到，例如一个检测器上的照射量。为了达到这个目的，众所周知可以采用一种非对称形式MEMS电热致动器，这种致动器可以采用整块的硅一绝缘体芯片制成。一种已知的非对称致动器由一悬臂电路组成，该悬臂电路有一窄热臂，一宽冷臂，和一窄小挠曲单元。当电流通过悬臂电路，窄臂加热升温高于宽冷臂，其结果使致动器绕窄小挠曲单元弯曲，从而将可动臂连接到固定的基体上。美国专利No.6,275,320公开了一种MEMS热致动器(2001年8月14日授权)，其内容在本说明书中将作为参考性的现有技术加以叙述。
为了获取尽可能大的弯曲度，那些既影响热传导又影响弯曲力的变量应进行优化。直观上，在保持宽臂的宽度足够宽、以便使其能保持低温的情况下，似乎将宽臂做得尽量窄是可取的，因为这有助于产生更多的弯曲。然而，依据希克(R.Hickey)等人的意见，冷臂应尽量地刚硬，以便在挠曲单元的近周产生完全的旋转，从而增加弯曲程度。
大家知悉，完全悬挂式的致动器，可以通过采用硅—绝缘体芯片，以及在装置下方完全蚀刻背面处理芯片来实现。采用完全悬挂式结构有可能消除对基体产生的静摩擦，确保填覆的氧化物能被完全蚀刻，并由于消除了厚基体产生的大量热负荷，减少了致动器运动所需的动力。以这种方式完全悬挂的致动器去除了在下的基体散热部。但是，随着去除基体散热部而产生的问题是，在装置周围空气中所设定的热梯度将改变。一大圈静态空气包围着热臂的周围。没有基体，相当的热量就会通过空气传导到冷臂。其结果是，冷臂膨胀，转矩减小，致动器弯曲度随之亦减小。
理论上是可能将热臂和冷臂分隔得更开些，然而两臂的分开将减小弯曲程度。
发明概述
为了提高致动器在每瓦能量下所能移动的微米数量，根据本发明将冷臂和热臂进一步分隔开，以减少通过空气传导的热量，同时保持冷臂的刚硬性。挠曲单元尺寸，以及相对于挠曲单元间隔的热臂间隔设定得应能获取最佳的弯曲力。再者，可以在基体层面，或在致动器层面上添加一散热部，以进一步提高温度差，从而增加致动器臂做弯曲运动得程度。这些改变同样还降低了为获得相同弯曲程度所需的温度。
本发明提供了一种非对称MEMS热致动器装置，其包括：一个基板部；一个致动器单元，它通过一个挠曲单元与所述基板部连接，所述致动器单元包括一个第一臂和一个第二臂，第一臂与第二臂并排间隔地设置，所述第二臂比第一臂宽，这样当电流通过其中时，由于所述第一臂和所述第二臂所受加热程度不同，所述致动器单元就会绕所述挠曲单元弯曲，并且，其中在所述第二臂上、面对所述第一臂处设有一个切口区，以增加在所述切口区处所述第二臂和所述第一臂的间距。
最好在MEMS层面上以及在致动器单元层面上接近第二臂处设有一散热部。或者也可一在基体上致动器臂的侧边处设一散热部。
热致动器最好是一种硅—绝缘体装置。
附图简要说明
本发明将参考下述附图做更详细的说明，附图为示例性的：
图1为现有技术非对称热致动器的示意图；
图2为本发明非对称热致动器的一个实施例的示意图，其中冷臂设有切口；
图3为本发明非对称热致动器的第二个实施例的示意图，其中冷臂设有切口，装置层面设有散热部；
图4为MEMS VOA芯片立体示意图，在装置层面上设有散热部；
图5为带有散热部和冷臂切口的新致动器与标准非对称式致动器的比较曲线图；
图6为MEMS VOA芯片立体示意图，在基体中设有散热部。
具体实施方式
图1所示为通常用在MEMS系列中的标准非对称式致动器，它包括一对固定连接垫板1，2，一个通过窄小挠曲单元4与连接垫板相连接的致动器单元3。致动器单元3由一个设在绝缘基体上的通用硅片构成，它包含有一个长而窄的热臂5，该热臂并排伸展且与宽形冷臂6相隔地设置，两臂5和6之间有一小间隙7。致动器单元3利用MEMS技术由单一硅片构成。
致动器单元3构造是一个呈U形构形的线路。电流通过连接垫板1，2之间的致动器单元，而臂5，6就是从所述连接垫板伸展出去的，由于两臂5，6的电阻不同，电流的通过就使该装置的一边比另一边接受更多的加热，也就使得一边比另一边膨胀得更多。这种热膨胀的差别就在内部产生了一种机械力矩，使致动器单元3向冷臂6弯曲。两臂之间在形状和尺寸上的不同就造成了这种温度差别。
热臂5由一窄长臂组成，该窄长臂伸展连接于连接垫板1，而冷臂6由一长宽部和一在挠曲单元4处缩减宽度的短部组成。挠曲单元4可以使由两臂5，6组成的结构由于加热效应的不同而弯曲。当电流通过致动器单元3时，宽侧处的电流密度小，所以其加热程度不如窄臂高。
在热侧和冷测之间的间距有一最佳值，这个最佳值可以产生最大的弯曲。所述间距一般取7微米，但该数值与减少热传导所需的间距相比较还是小的。同时，冷臂还必须是尽可能的刚硬。
图2是本发明的一个实施例。从图2可以看到，冷臂设有一长方形的凹口或切口9，该凹口的设立使得冷臂6在凹口处能进一步与热臂5分开，而同时却能保持挠曲单元4处的间距不变。两臂5，6在挠曲单元4处的间距与图1所示的现有技术相同。这样既保持了致动器单元3的刚硬性，同时又达到减小气隙间热传导的目的。应该看到，上述切口的形状并不一定是长方形的，采用其他适宜的形状也是可行的。
致动器的尺寸是可以变化的，但一般说其长度约1毫米，而热、冷臂之间的气隙15的宽度约7微米，当然气隙宽度也可以取从2微米到20微米之间的任一数值。
在该示范性的实施例中，致动器单元的宽度w约为90-100微米，其上切口9的深度d约为50微米。一般说，切口的深度约为冷臂宽度的一半。
致动器是由硅片制成的，硅片具有高热导性，这样从热侧到冷测的热传导可以直接通过硅片来进行。
为了进一步提高性能，可以在硅片层上、致动器单元3的侧面加设一个分离开的散热部10，如图3所示。散热部做成斜锥形，向其自由端逐渐缩尖，以便让致动器单元3能朝它弯曲。散热部设在致动器单元侧面就确保由热空气产生的多余热量能够消散掉，因而不会过多地加热冷臂。
图4所示为在一MEMS VOP芯片中的热致动器平面图。致动器单元3设置在硅基体12上蚀刻出的凹槽11中，散热部则位于如图3所示得致动器单元侧面。
图6所示为另一个实施例，散热部就由基体12构成，并总体上就设在凹槽11中，但该散热部设在致动器单元3的侧面，并明显地处于图3所示实施例中散热部10所占据区域的底下。散热部14处于比致动器单元3更低的位置，它由基体12突出的、大体上呈长方形的突出部构成，其头部呈圆弧状。在图6所示的实施例中，致动器单元3在其弯曲时，向散热部14移动，并与其一部分叠搭。位于致动器单元3侧面的散热部14通过这种设置就不会产生现有技术中出现的静摩擦问题，在现有技术中散热部是直接设在致动器单元的下面。致动器是利用现有的硅—绝缘体MEMS技术制备的。基体12由硅片制成，它有一表面氧化物层，在所述基体的前侧形成绝缘体。由致动器单元，散热部10，连接垫板1，2组成的装置蚀刻出一个沉积在氧化物绝缘体上的活性硅片层。然后，基体12在其后侧蚀刻出凹槽11。图5表示了新致动器单元3与图1所示的传统非对称式致动器在性能测定结果上得比较。新致动器单元在每单位电压所能实现的位移上显示出明显的改善，例如在10伏(10V)，弯曲移动就从20微米变化到40微米，变化约两倍。
应该看到，本领于技术人员会认识到，本发明可能会有许多变化，但不会偏离本发明权利要求的范围。

Claims (15)

1、一种非对称MEMS热致动器装置包括：
一个基板部；和
一个致动器单元，它通过一个挠曲单元与所述基板部连接，所述致动器单元包含有一个第一臂和一个第二臂，第一臂与第二臂并排间隔地设置，所述第二臂比第一臂宽，这样当电流通过所述第一臂和第二臂时，由于两臂所受加热程度的不同，所述致动器单元就会绕所述挠曲单元弯曲；
其中，面对所述第一臂的切口是设置在所述第二臂上，以增加在所述切口区处所述第二臂和所述第一臂的间距。
2、根据权利要求1所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述切口区在形状上呈长方形。
3、根据权利要求1或2所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述基板部包括有一对与所述第一臂和第二臂分别连接的连接垫板。
4、根据权利要求1至3中任一权利要求所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，在所述第二臂侧面邻近处还设有一散热部。
5、根据权利要求4所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述散热部由其底部到顶部呈与所述致动器单元逐渐分离的斜锥形，使所述致动器单元能够做弯曲运动。
6、根据权利要求5所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述散热部与所述致动器单元在同一材料层上，组成同一材料层的一部分。
7、根据权利要求5所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述同一材料层是硅层。
8、根据权利要求4所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述散热部形成所述致动器单元基体的一部分，并位于所述致动器单元侧面和下面，所述致动器单元做弯曲运动时，所述致动器单元部分叠搭于所述散热部之上。
9、根据权利要求1所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述致动器单元由一层沉积在绝缘体基体上的硅制成。
10、根据权利要求1所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述绝缘体是沉积于硅基体上的硅氧化物。
11、根据权利要求1所述的非对称MEMS热致动器装置，其中所述切口的深度约为所述冷臂的一半。
12、根据权利要求1所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述切口的深度约为50微米。
13、一种非对称MEMS热致动器装置包括：
一个基板部；
一个致动器单元，它通过一个挠曲单元与所述基板部连接，所述致动器单元包含有一个第一臂和一个第二臂，第一臂与第二臂并排间隔地设置，所述第二臂比第一臂宽，这样当电流通过所述第一臂和第二臂时，由于两臂所受加热程度的不同，所述致动器单元就会绕所述挠曲单元弯曲；
一个位于所述致动器单元侧面的突出散热部；和
其中，面对所述第一臂的切口是设置在所述第二臂上，以增加在切口处所述第二臂和所述第一臂的间距。
14、根据权利要求13所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述散热部与所述致动器单元处在相同水平上。
15、根据权利要求13所述的非对称MEMS热致动器装置，其中，所述散热部低于所述致动器单元。
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