新型复合结构电热微驱动器的研制

0　引　言

传统电热微驱动器大多采用双金属膜结构,通过电加热使不同热膨胀系数的双层薄膜因热膨胀程度不同而产生弯曲变形,构成驱动力。这类驱动器的位移不是直线,而是面外运动[1]。同一平面内的这类双金属结构虽然能产生平面的位移[2,3],但驱动力通常低于10μN,而且,制造工艺复杂[4]。Que L提出了一种弯曲梁电热微驱动器设计[5],它能够产生平面的位移和较大的力,但也有一些明显的缺点:采用金属做结构材料,驱动电压过小,不利于系统集成,且电阻率与导线相近,有较大的能量损耗在传输上。采用多晶硅做结构材料,虽然驱动电压与集成电路相配,能产生mN级的驱动力,但驱动的位移很小,而且,发热量很大,会影响周围器件的正常工作。另外,金属和多晶硅的热膨胀系数小,在功率低的情况下,难以实现大的平面位移。本文在弯曲梁电热微驱动器的基础上提出了一种聚合物基复合材料电热微驱动器。新器件能够在更低的功耗和温度下,产生更大的位移。

1　电热微驱动器结构

图1为新型复合材料电热微驱动器的结构示意图。由聚合物包裹着金属弹簧结构组成1根悬臂梁,再将2根悬臂梁组成V型结构。金属弹簧结构在电流流过时发热,热量均匀传递给聚合物包裹层,聚合物受热膨胀驱动尖端移动。金属结构是弹簧形的,一方面减少了对梁的纵轴方向强度的影响,另一方面,使聚合物能够更快更均匀地受热,提高了器件的响应速度。相对于原始的弯曲梁结构,新型微驱动器加热电阻大为提高,能量就更多地集中在微驱动器上,减少了传输损耗。

制备的新型微驱动器聚合物外层的材料为Su-8胶,金属弹簧结构的材料为Ni。Su-8胶的热膨胀系数更大,约为52×10-6 [6],而Si的膨胀系数只有2×10-6。在相同的升温条件下,新型驱动器的位移更大,能耗更小,而且,Su-8胶工艺成熟,方便图形化,能够减少工艺步骤;其次,Su-8胶耐酸耐碱,高温稳定性好,玻璃化转换温度约为210℃[7],失效温度为450~600℃[8],器件的使用寿命长。

在微加工中,一般采用Cu和Ni作为金属结构材料。相对于Cu,Ni的电阻率更大,有利于提高驱动电压与系统集成。另外,Ni和Su-8之间的结合力更强,保证了金属和聚合物之间的良好的热传导。此外,Ni的化学性质稳定,不易氧化,提高了器件的使用寿命。

除了工作部分外,驱动器还添加了2个大面积的导电触点,驱动后,器件能够通过热传导散热,保证了器件的使用寿命。

2　仿真分析

2.1　结构参数确定

由于光刻精度限制,电阻丝的宽度定为4μm。为了保证最佳的图形形状,金属结构的高度为3μm。同时,为了减少Ni金属结构对悬臂梁纵向强度的影响,充分发挥聚合物热膨胀系数大的优点,并增加金属结构和聚合物的接触面积,提高响应速度,需要加长金属结构的径向长度,设计金属结构的径向长度为24μm,梁的宽度为32μm,定义固定端的连线和悬臂梁之间的夹角为悬臂梁角度θ。通过仿真计算,悬臂梁角度θ对金属结构的总电阻影响不大,得出金属弹簧结构的电阻约为13.6Ω。为了和Que L提出的弯曲梁电热微驱动器性能作比较,选择θ=10°,悬臂梁的长度为800μm,高度为15μm。器件的制造参数如图2所示。