铝硅双金属驱动膜片形变方向控制及其结构参数的优化

　　1　引言

　　以微电子技术为基础发展起来的微机械,从基础理论到实际应用,其研究领域非常广泛,在许多领域都拥有广阔的应用前景。经过二十几年的发展,集传感器、执行器、信号处理电路于一体的微电子机械系统(MEMS)的研究已成为微机械研究的重要方向之一。MEMS将对二十一世纪的社会生活产生重要影响。

　　微执行器是MEMS执行物理功能的关键器件,采用何种驱动方式和驱动结构则是研究的焦点之一。目前为实现驱动所运用的物理原理涉及声、光、电、磁、热等几乎所有领域,其中压电、静电、电磁、形变记忆合金、热气动等驱动方式,应用较为普遍。它们各有优势,同时也存在着不足,需要根据不同的要求进行选择。与上述驱动方式相比,基于双金属效应的电热驱动方式具有优越的力学特性,能够提供足够大的动力和位移,响应速度适中,可靠性好,因此得到了普遍的关注。又由于材料及工艺上均与IC工艺完全兼容,结构和工艺复杂度低,所以采用铝和硅材料制作的铝硅双金属驱动膜片在微流量控制器件的研制中得到了广泛的应用,如Jerman报道的电热驱动常闭微阀门[1], Popescu等研制的微阀门[2]。我们应用铝硅双金属驱动膜片成功地制作了微流量泵[3],驱动膜片可在5伏电压下可靠工作,这为实现集成微流量控制系统奠定了基础。

　　2　铝硅双金属驱动膜片结构

　　如图1所示,铝硅双金属驱动膜片由单晶硅膜、铝膜以及加热电阻构成。均匀受热的铝硅双金属驱动膜片,由于组成材料热膨胀系数的差异,将发生显著的弯曲变形。如何控制驱动膜片的弯曲变形方向和挠度大小对于提高驱动膜片的工作效率是至关重要的。影响膜片性能的决定因素既包括膜片组成材料的物理参数也包括膜片的结构参数[3]。一旦材料选定后,膜片的结构参数就成为唯一的可控制因素。而控制驱动膜片的弯曲变形方向和挠度大小对于提高驱动膜片的工作效率是至关重要的。因此需要对铝硅双金属驱动膜片进行更进一步的理论分析,优化结构参数,从而提高膜片的性能。

　　应用于MEMS系统的铝硅双金属驱动膜片的变形一般为薄板大挠度弯曲变形问题,需要考虑几何关系及平衡方程的非线性影响[4]。此类问题难以获得解析解,通常采用数值方法指导结构的优化设计。我们对三种典型铝硅双金属驱动结构进行了有限元分析,获得了与[3]相一致的结论并得到了优化的结构参数。

　　3　有限元模型

　　我们采用通用的有限元分析软件SAP91对三种典型的结构进行了有限元分析。这三种结构分别是:由单晶硅膜和置于膜片中央的圆形铝膜构成的A型结构,由单晶硅膜和置于膜片周边的环形铝膜构成的B型结构以及由单晶硅膜和置于膜片中间的环形铝膜构成的C型结构。