專利名稱：：雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，具體是一種雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
：微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)集成電路工藝技術(shù)的一個(gè)顯著特征即是其可動(dòng)性，在微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)中微驅(qū)動(dòng)器處于核心的地位。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)形式，一般可以分為面內(nèi)驅(qū)動(dòng)和面外驅(qū)動(dòng)，其中面外驅(qū)動(dòng)能夠獲得與器件表面垂直的驅(qū)動(dòng)位移。由于這個(gè)特性，目前面外運(yùn)動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如光學(xué)微鏡、光開關(guān)、微繼電器等。微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)形式主要有靜電、壓電、電磁和電熱等，其中電熱驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)為高的驅(qū)動(dòng)力，便于利用常規(guī)的微加工工藝實(shí)現(xiàn)，近來(lái)受到廣泛關(guān)注。但是，電熱驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間較一般的驅(qū)動(dòng)形式要長(zhǎng)，因而呈現(xiàn)了比其他驅(qū)動(dòng)形式較慢的工作特性。同時(shí)，受限于電熱驅(qū)動(dòng)受熱膨脹變形的驅(qū)動(dòng)本質(zhì)，雙向運(yùn)動(dòng)的電熱微驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)較其他幾種驅(qū)動(dòng)形式遠(yuǎn)為困難。從器件的工作特性來(lái)看，目前速度較快的靜電微驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)能夠達(dá)到吉赫茲(GHz)的工作頻率，而常規(guī)的電熱微驅(qū)動(dòng)器的頻率僅為一千赫茲。限制該工作頻率的本質(zhì)上是電熱驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，這暫時(shí)還是一個(gè)無(wú)法克服的問(wèn)題。但是通常被忽視的是，在電熱微驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)工作周期內(nèi)，對(duì)其工作頻率起決定性作用的是散熱回復(fù)的過(guò)程。目前一般的電熱微驅(qū)動(dòng)器多數(shù)利用受熱膨脹變形作為驅(qū)動(dòng)機(jī)制，工作溫度在一百攝氏度以上，有些超過(guò)五百攝氏度。這類電熱微驅(qū)動(dòng)器一般通過(guò)器件與周圍空氣的對(duì)流換熱進(jìn)行散熱，因而極大地限制了它的降溫速度，冷卻過(guò)程很長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)器的回復(fù)很慢，從而限制了工作頻率?？偟膩?lái)講，對(duì)于改進(jìn)電熱微驅(qū)動(dòng)器工作頻率的相關(guān)研究，目前還是少之又少。另外，從器件的驅(qū)動(dòng)特性來(lái)看，目前雙向運(yùn)動(dòng)的電熱微驅(qū)動(dòng)器多數(shù)通過(guò)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相反的電熱微驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)而成。但是一般情況下正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)的單元一直相連，因而這種驅(qū)動(dòng)機(jī)制必然導(dǎo)致較低的驅(qū)動(dòng)位移。為了避免或者克服這種問(wèn)題，有人引進(jìn)了滑塊或者活塞機(jī)制，這又使得器件體積大，結(jié)構(gòu)煩瑣，制備困難。此外，這種通過(guò)簡(jiǎn)單地線性組合而成的器件，本質(zhì)上也不屬于單個(gè)的集成的雙向運(yùn)動(dòng)器件。通過(guò)檢索現(xiàn)有文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)Wen-ChihChen等人在SensorsandActuatorsA(《傳感器與執(zhí)行器A》2003年第103巻48-58頁(yè))上發(fā)表了題名為"Areliablesingle-layerout—of—planemicromachinedthermalactuator"(中文名稱"——禾中可靠的單層的面夕卜運(yùn)動(dòng)微熱驅(qū)動(dòng)器")的一篇文章，該驅(qū)動(dòng)器由四根平行的末端相連的梁組成，兩根內(nèi)梁和兩根外梁處于不同的平面，因此單獨(dú)加熱內(nèi)梁或者外梁則能形成扭矩，從而實(shí)現(xiàn)雙向的面外運(yùn)動(dòng)。但是該驅(qū)動(dòng)器由單層的單晶硅制成，在局部溫度已經(jīng)超過(guò)一千攝氏度時(shí)，末端驅(qū)動(dòng)位移僅為幾微米，存在能耗高、工作溫度高、驅(qū)動(dòng)位移小等問(wèn)題。又經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，AronMichael等人在JournalofMicroelectromechanicalSystems(《微機(jī)電系統(tǒng)》2008年第17巻第l號(hào)第58-69頁(yè))上發(fā)表了題名為"Anovelbistabletwo—wayactuatedout—of—planeelectrothermalmicrobridge"(中文名禾爾"^^禾中新型雙穩(wěn)態(tài)雙向驅(qū)動(dòng)的面外運(yùn)動(dòng)電熱微橋")的一篇文章，該微橋由三層膜結(jié)構(gòu)組成低應(yīng)力的等離子增加化學(xué)氣相沉積(PECVD)氧化物、高壓應(yīng)力的PECVD氧化物和磷摻雜的硅，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓9V時(shí)，1200微米長(zhǎng)的微橋能夠獲得31微米的面外運(yùn)動(dòng)。由于采用了通過(guò)工藝控制應(yīng)力讓微橋保持預(yù)彎曲的設(shè)計(jì)，因而該微橋的缺點(diǎn)也是顯然的。沉積薄膜的應(yīng)力往往不能精確可調(diào)，使得預(yù)彎曲位移不好控制，因而對(duì)工藝條件有很高要求，成品率能以保證。同時(shí)，由于利用彈簧剛度和支架的熱應(yīng)力使梁彎曲，顯然驅(qū)動(dòng)力很小，且彎曲梁易疲勞損傷導(dǎo)致壽命有限，而且穩(wěn)態(tài)切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)到毫秒級(jí)，工作頻率很低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，利用三層膜電熱微驅(qū)動(dòng)器提供雙向驅(qū)動(dòng)位移，通過(guò)兩個(gè)偏置層進(jìn)行偏置復(fù)位，充分發(fā)揮聚合物基電熱微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)位移大、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大電熱微驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的應(yīng)用。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚合物驅(qū)動(dòng)層和上路電阻絲層，其中支撐塊和下路電阻絲層位于基座上，下路電阻絲層的電阻部分伸出懸空，聚合物驅(qū)動(dòng)層位于支撐塊和下路電阻絲層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的一端與支撐塊固定連接，另一端伸出懸空，上路電阻絲層淀積在聚合物驅(qū)動(dòng)層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的懸梁部分位于上路電阻絲層的懸空部分和下路電阻絲層的懸空部分之間且緊密相連形成三層結(jié)構(gòu)。所述的上路電阻絲層和下路電阻絲層是電鍍制得的金屬懸梁結(jié)構(gòu)，該金屬懸梁結(jié)構(gòu)包括電極部分和懸梁部分，其中電極部分作為金屬懸梁結(jié)構(gòu)固定的末端，電極部分與懸梁部分電連接，懸梁部分為平行條狀排布的電阻條。4所述的電阻條為細(xì)條狀結(jié)構(gòu)，該電阻條在電極受到電信號(hào)后能夠產(chǎn)生焦耳熱，使上下兩路電阻絲構(gòu)成器件中的發(fā)熱部件，所述的電阻條的線寬為5-30微米。所述的聚合物驅(qū)動(dòng)層為對(duì)二甲苯聚合物(parylene)經(jīng)圖形化處理得到的聚合物薄層，該聚合物功能層的懸梁部分的長(zhǎng)度為30(T800微米。通過(guò)上下兩路電阻絲對(duì)它的包裹構(gòu)成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)，充分利用了聚合物熱膨脹系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這種緊密的設(shè)計(jì)，聚合物驅(qū)動(dòng)層能夠較充分地接受金屬發(fā)熱部件的熱量。同時(shí)parylene具有極小的熱膨脹系數(shù)，從而在聚合物驅(qū)動(dòng)層上下兩路的電阻絲之間能夠產(chǎn)生較大的溫差，促進(jìn)了該器件雙向驅(qū)動(dòng)特性的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明工作時(shí)，以實(shí)現(xiàn)向上驅(qū)動(dòng)為例，對(duì)下路電阻絲層的電極施加一定的脈沖電壓，下路電阻絲層會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，由于金屬良好的導(dǎo)熱性，熱量會(huì)迅速分布在parylene聚合物層下表面。采用的parylene聚合物具有極低的熱導(dǎo)率(paryleneC的熱導(dǎo)率僅為O.082W/m福)，熱量在parylene中傳導(dǎo)較慢，遠(yuǎn)低于下路電阻絲層的熱生成速率。因此在上路電阻絲層-聚合物驅(qū)動(dòng)層-下路電阻絲層的厚度方向形成一個(gè)很大的正溫度梯度。根據(jù)經(jīng)典的雙層膜理論，熱膨脹系數(shù)較大的聚合物驅(qū)動(dòng)層將構(gòu)成翹曲功能層，熱膨脹系數(shù)較小的上路電阻絲層將構(gòu)成偏置層，整個(gè)三層膜結(jié)構(gòu)向上翹曲。當(dāng)電脈沖降至低電平時(shí)，停止對(duì)下路電阻絲層的加熱，驅(qū)動(dòng)器中的熱生成速率降為零。當(dāng)三層膜結(jié)構(gòu)以熱傳導(dǎo)的形式完成熱量重分布，上路電阻絲層-聚合物驅(qū)動(dòng)層-下路電阻絲層厚度方向的溫度梯度接近于零，這時(shí)三層膜結(jié)構(gòu)中的上路電阻絲層起到偏置作用，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器趨于平直，從而完成復(fù)位。由于三層膜結(jié)構(gòu)之間通過(guò)直接的熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量分布，因而該驅(qū)動(dòng)器復(fù)位的速率顯著地大于常規(guī)的電熱微驅(qū)動(dòng)器與空氣對(duì)流換熱進(jìn)行復(fù)位的速率。同理，對(duì)上路電阻絲層的電極部分施加一定的脈沖電壓，即可以實(shí)現(xiàn)向下驅(qū)動(dòng)的功效。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用較快速的熱傳導(dǎo)代替較慢的對(duì)流換熱，通過(guò)讓另一路電阻絲對(duì)回復(fù)起偏置被動(dòng)作用，使得該器件在溫度均布時(shí)即能完成復(fù)位，因此工作頻率得到大幅提高；能夠完全利用常規(guī)的微加工工藝實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備工序少，成本低廉，便于大規(guī)模制造；相比單純的硅基微驅(qū)動(dòng)器，具有工作溫度低，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，并且在同等輸入功率下能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)位移。圖l為實(shí)施例l結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例1中支撐塊和下路電阻絲層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實(shí)施例1中聚合物驅(qū)動(dòng)層的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括基座l、支撐塊2、下路電阻絲層3、聚合物能層4和上路電阻絲層5，其中基座l位于玻璃圓片或硅片的基底上，支撐塊2和下路電阻絲層3位于基座的上面，兩者平面上交錯(cuò)排布。下路電阻絲層3的條狀平行電阻絲伸出懸空。聚合物功能層4位于支撐塊2和下路電阻絲層3上面，其中一端通過(guò)支撐塊2固定，另一端伸出懸空。上路電阻絲層5淀積在聚合物功能層4的上面，并且和聚合物功能層4、下路電阻絲層3三者緊密相連，形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)。和下路電阻絲層3的結(jié)構(gòu)一樣，上路電阻絲層5的電極位于固定末端，平行排布的電阻絲伸出懸空。如圖2所示，是本實(shí)施例中支撐塊2和下路電阻絲層3的結(jié)構(gòu)示意圖，該下路電阻絲層3是電鍍制得的金屬懸梁結(jié)構(gòu)，該金屬懸梁結(jié)構(gòu)包括電極部分和懸梁部分，其中電極部分作為金屬懸梁結(jié)構(gòu)固定的末端，電極部分與懸梁部分電連接，懸梁部分為平行條狀排布的電阻條。所述的電阻條為細(xì)條狀結(jié)構(gòu)，具體為繞曲的蛇形彈簧形狀，該電阻條的線寬為18微米，在電極受到電信號(hào)后能夠產(chǎn)生焦耳熱，使上下兩路電阻絲構(gòu)成器件中的發(fā)熱部件。如圖3所示，是本實(shí)施例中聚合物功能層4的結(jié)構(gòu)示意圖。聚合物功能層是具有固定末端的懸梁，固定末端在支撐塊2上面，懸梁部分受到下路電阻絲層3和上路電阻絲層5包裹，構(gòu)成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的懸臂梁。聚合物功能層懸梁部分的長(zhǎng)度影響了該驅(qū)動(dòng)器具有的末端位移，結(jié)合工藝條件考慮，一般為550微米。本實(shí)施例采用UV-LIGA工藝制備，具體的微加工工藝1、準(zhǔn)備玻璃圓片或者硅片作為基底。2、濺射鉻/銅電鍍種子層。3、甩SU-8膠，并圖形化，程控堅(jiān)膜后作為驅(qū)動(dòng)器基座。4、電鍍銅作為犧牲層，電鍍至高度與SU-8膠齊平。5、濺射鉻/銅電鍍種子層。6、甩光刻膠，并圖形化，電鍍鎳形成支撐塊和下路電阻絲層。7、沉積parylene作為聚合物驅(qū)動(dòng)層。8、甩光刻膠，并圖形化，作為RIE刻蝕的掩膜。9、RIE刻蝕parylene，形成圖形化的聚合物驅(qū)動(dòng)層。10、濺射鉻/銅電鍍種子層。11、甩光刻膠，并圖形化，電鍍鎳形成上路電阻絲層。12、去膠，去電鍍種子層，去犧牲層，并最終釋放器件。本實(shí)施例針對(duì)以往的雙向驅(qū)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低、驅(qū)動(dòng)位移小等缺點(diǎn)，具有驅(qū)動(dòng)溫度低、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。權(quán)利要求1.一種雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚合物驅(qū)動(dòng)層和上路電阻絲層，其特征在于支撐塊和下路電阻絲層位于基座上，下路電阻絲層的電阻部分伸出懸空，聚合物驅(qū)動(dòng)層位于支撐塊和下路電阻絲層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的一端與支撐塊固定連接，另一端伸出懸空，上路電阻絲層淀積在聚合物驅(qū)動(dòng)層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的懸梁部分位于上路電阻絲層的懸空部分和下路電阻絲層的懸空部分之間且緊密相連形成三層結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的上路電阻絲層和下路電阻絲層是電鍍制得的金屬懸梁結(jié)構(gòu)，該金屬懸梁結(jié)構(gòu)包括電極部分和懸梁部分，其中電極部分作為金屬懸梁結(jié)構(gòu)固定的末端，電極部分與懸梁部分電連接，懸梁部分為平行條狀排布的電阻條。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的電阻條為細(xì)條狀結(jié)構(gòu)，該電阻條在電極受到電信號(hào)后能夠產(chǎn)生焦耳熱，使上下兩路電阻絲構(gòu)成器件中的發(fā)熱部件。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的電阻條的線寬控制在5-30微米。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的聚合物驅(qū)動(dòng)層為對(duì)二甲苯聚合物經(jīng)圖形化處理得到的聚合物薄層。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的聚合物功能層的懸梁部分的長(zhǎng)度為30(T800微米。全文摘要一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，包括基座、支撐塊、下路電阻絲層、聚合物驅(qū)動(dòng)層和上路電阻絲層，其中支撐塊和下路電阻絲層位于基座上，下路電阻絲層的電阻部分伸出懸空，聚合物驅(qū)動(dòng)層位于支撐塊和下路電阻絲層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的一端與支撐塊固定連接，另一端伸出懸空，上路電阻絲層淀積在聚合物驅(qū)動(dòng)層上，聚合物驅(qū)動(dòng)層的懸梁部分位于上路電阻絲層的懸空部分和下路電阻絲層的懸空部分之間且緊密相連形成三層膜的三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用三層膜電熱微驅(qū)動(dòng)器提供雙向驅(qū)動(dòng)位移，通過(guò)兩個(gè)偏置層進(jìn)行偏置復(fù)位，充分發(fā)揮聚合物基電熱微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)位移大、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大電熱微驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的應(yīng)用。文檔編號(hào)B81B7/02GK101659388SQ20091030785公開日2010年3月3日申請(qǐng)日期2009年9月28日優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日發(fā)明者丁桂甫,吳義伯,張叢春,毛勝平,紅汪,娟王申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)