CN217708894U - 一种基于石墨烯加热的电热微驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其结构为悬臂梁结构，包括驱动层、偏置层、石墨烯加热层、支撑层和电极；石墨烯作为加热材料，对驱动层实现加热，并由驱动层和偏置层的不同相对位置，实现悬臂梁的不同方向运动。本实用新型结合了石墨烯具有优良的导电性和导热性的优势，实现具有高性能、高驱动效率的电热式微驱动器。
Description
技术领域
本实用新型公开了一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，涉及微驱动器技术领域。
背景技术
微驱动器是MEMS（微机电系统）关键的组成部分，其性能直接影响MEMS产品的品质。目前常见的微驱动器形式有静电、电热、压电、电磁和形状记忆合金等。电热驱动的驱动电压低、驱动位移大、制备工艺简单且成本低，具有十分远大的应用前景和发展空间； 然而，现存的微驱动器，由于受到材料导电导热性能制约和结构尺寸较小的限制，在对驱动层的加热效率上相对低下，从而使得驱动器的响应性能和功率-位移性能都较低。
实用新型内容
本实用新型针对上述背景技术中的缺陷，提供一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，具有高性能、高驱动效率的电热式微驱动器。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，包括：基底、支撑层和双层膜结构，所述的支撑层设置在基底上侧，所述的支撑层上设置双层膜结构，所述的双层膜结构包括：偏置层和与其连接的驱动层，驱动层连接于偏置层的上侧或下侧，所述的驱动层引入加热层，所述的加热层和电极连接，电流通过使加热层产生焦耳热，从而传递给驱动层和偏置层，由于偏置层和驱动层的热膨胀系数的不同，会使结构整体产生运动；所述的加热层包括：石墨烯，石墨烯具有良好的导热导电能力，使得驱动器在输入较小的功率下能够实现较大的面外翘曲位移。
进一步的，所述的双层膜结构在支撑层上呈悬臂梁设计。
进一步的，所述的驱动层的热膨胀系数大于偏置层的热膨胀系数。
进一步的，所述的驱动层包括：SU-8胶，所述的偏置层包括：镍；因为SU-8胶的热膨胀系数大，在相同升温条件下，位移更大，能耗更小且SU-8胶工艺成熟，方便图形化，故用SU-8胶作为驱动层材料；而镍的热膨胀系数小且化学性质稳定，且与SU-8胶之间的结合力强，故用镍作为偏置层材料。
进一步的，所述的驱动层引入加热层具体包括：加热层包裹于驱动层内结构、驱动层和加热层混合结构、驱动层顶部集成加热层结构；
所述的加热层包裹于驱动层内结构具体为：汉堡式结构，中间为加热层，加热层上下被驱动层包裹；
所述驱动层顶部集成加热层结构具体为，加热层连接于驱动层的顶部；
所述的驱动层和加热层混合结构具体为：驱动层和加热层形成均一的混合物层，且混合物层的一端连接电极。
进一步的，所述加热层包裹于驱动层内结构和所述驱动层顶部集成加热层结构中，石墨烯形状包括：曲线型，为了增大其和驱动层的接触交互面积和增大自身发热，提高加热效率。
进一步的，所述的加热层和驱动层混合结构中：驱动层和加热层的混合比例包括：质量比1000:1~10:1。
工作原理：本实用新型设计的电热微驱动器为双层膜结构，偏置层和与其连接的驱动层，驱动层连接于偏置层的上侧或下侧，电极与驱动层中的石墨烯相连，当给石墨烯施加电压时，石墨烯使得驱动层能高效的发热，该发热来自于石墨烯的传导热和传导电对驱动层的加热两部分；由于双层膜结构材料的热膨胀系数不同，驱动层的热膨胀系数大于偏置层的热膨胀系数，双层膜结构在受热升温体积膨胀时产生热失配，由于热应力的作用将向热膨胀系数小的一层发生弯曲变形，从而在较低的驱动功率下产生垂直于器件的面外运动；驱动层具有较高的热膨胀系数，对其高效的加热引起大的形变量，从而形成悬臂梁驱动器的位移；根据驱动层和偏置层的相对位置，可以实现悬臂梁不同方向的弯曲位移，且弯曲方向总是朝着偏置层的一方。
有益效果：本实用新型采用石墨烯作为加热材料，对驱动层实现加热，并由驱动层和偏置层的不同相对位置，实现悬臂梁的不同方向运动，本实用新型中SU-8胶和镍特有的性质，结合了石墨烯具有优良的导电性和导热性的优势，实现具有高性能、高驱动效率、使用寿命长的电热式微驱动器；本实用新型在制备过程中采用微纳加工工艺，结合石墨烯的集成方法，最终实现该电热微驱动器结构。
附图说明
图1（a）为石墨烯包裹于SU-8内部的结构的侧视图；
图1 (b)为驱动层顶部集成制备石墨烯材料的结构的侧视图；
图1 (c)为混合石墨烯-SU-8的驱动层的结构的侧视图；
图1 (d)为图1（a）和图1（b）中石墨烯结构示意图；
图2为本实用新型的制备流程示意图，其中： (a)为基底的支撑结构；(b)为填充牺牲材料后的器件结构；(c)为制备偏置层结构后的器件结构；(d)为加上电极后的结构；(e)为制备混合石墨烯-SU-8的驱动层后的器件结构；(f)为释放牺牲层后的悬空结构；(g)为制备第一层SU-8后的器件结构；(h)为在第一层SU-8上集成石墨烯后的结构；(i)为制备完另一层SU-8形成石墨烯包裹于SU-8内部后的结构；(j)为释放牺牲层后的悬空结构；(k)为在驱动层顶部集成制备石墨烯材料后的结构；(l)为释放牺牲层后的悬空结构。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1（a）、1（d）为本实用新型一种实施例一：一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，包括：基底、支撑层和双层膜结构，所述的支撑层设置在基底上侧，所述的支撑层上设置双层膜结构，所述的双层膜结构在支撑层上呈悬臂梁设计，所述的双层膜结构包括：偏置层和与其连接的驱动层，驱动层连接于偏置层的上侧或下侧，所述的驱动层的热膨胀系数大于偏置层的热膨胀系数，所述的驱动层引入加热层，所述的加热层和电极连接，所述的加热层包括：石墨烯；所述的驱动层包括：SU-8胶，所述的偏置层包括：镍；
所述的加热层包裹于驱动层内结构具体为：汉堡式结构，中间为石墨烯，石墨烯上下都被SU8包裹；石墨烯采用单层或者多层；石墨烯形状采用曲线型。
如图1（b）、1（d）所示，实施例二：
与上述实施例一的区别在于：
所述的驱动层顶部集成加热层结构：石墨烯位于SU-8的顶部；石墨烯采用单层或者多层；石墨烯形状采用曲线型。
如图1（c）所示，实施例三：
与上述实施例一的区别在于：
所述的驱动层和加热层混合结构：驱动层和加热层形成均一的混合物层，且混合物层的一端连接电极；所述混合结构中SU-8胶和石墨烯的混合比例为：质量比1000:1~10:1，两者均匀混合形成均一的混合物，该混合物具有导电加热和驱动的双重功能。
如图2所示，一种实施例的制备方法，对应图2工艺过程的a-b-c-d-k-l。仅以此为例，但本实用新型的保护范围不限于下述的实例。
（1）对硅基片进行预处理，溅射Cr/Cu种子层，然后旋涂5μm厚光刻胶，110℃预烘，曝光后，用显影液去除曝光部分，然后130℃烘；
（2）旋涂SU-8胶并去除光刻胶，形成SU-8支撑结构。电镀4μm厚的Cu 做牺牲层，研磨抛光使SU-8和Cu的高度一致；
（3）溅射Cr/Cu种子层，旋涂3μm厚光刻胶并光刻图形化，在露出种子层的区域电镀镍偏置层；
（4）旋涂3μm厚光刻胶并图形化，电镀电极，然后与相关溶剂反应去胶和去种子层；
（5）用上面同样的甩胶-光刻后，旋涂SU-8胶，在偏置层镍的上方制备SU-8驱动层，去除光刻胶；在铜箔上用化学气相沉积制备多层石墨烯，然后用湿法转移将石墨烯转移到SU-8表面上，并使之与电极相连；
（6）在 5 %～ 10 %(HCl +H2O2)溶液中去除Cu，释放牺牲层形成悬臂梁结构。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，包括：基底、支撑层和双层膜结构，所述的支撑层设置在基底上侧，所述的支撑层上设置双层膜结构，所述的双层膜结构包括：偏置层和与其连接的驱动层，驱动层连接于偏置层的上侧或下侧，所述的驱动层引入加热层，所述的加热层和电极连接，所述的加热层包括：石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述的双层膜结构在支撑层上呈悬臂梁设计。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述的驱动层的热膨胀系数大于偏置层的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述的驱动层包括：SU-8胶，所述的偏置层包括：镍。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述的驱动层引入加热层具体包括：加热层包裹于驱动层内结构、驱动层顶部集成加热层结构、驱动层和加热层混合结构；
所述的加热层包裹于驱动层内结构具体为：中间为加热层，加热层上下被驱动层包裹；
所述驱动层顶部集成加热层结构具体为，加热层连接于驱动层的顶部；
所述的驱动层和加热层混合结构具体为：驱动层和加热层形成均一的混合物层，且混合物层的一端连接电极。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述加热层包裹于驱动层内结构和所述驱动层顶部集成加热层结构中，石墨烯形状包括：曲线型。
7.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯加热的电热微驱动器，其特征在于，所述的加热层和驱动层混合结构中：驱动层和加热层的混合比例包括：质量比1000:1~10:1。
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