專利名稱：基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(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)電技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于氧化鋁薄膜與聚合 物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的不斷發(fā)展，微結(jié)構(gòu)器件和系統(tǒng)在信息業(yè)，航空航天 業(yè)，醫(yī)療，環(huán)境科學(xué)等很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。MEMS技術(shù)的核心工作是微傳感器和微驅(qū)動(dòng) 器的設(shè)計(jì)和制造，其中微驅(qū)動(dòng)器作為可動(dòng)部分，其動(dòng)作范圍的大小，可動(dòng)效率的高低，動(dòng)作 的可靠性等指標(biāo)決定了系統(tǒng)的成敗，是微機(jī)電系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。因此研究發(fā)明小體積， 低重量，低功耗等具有優(yōu)良性能的微驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)代研究技術(shù)的熱點(diǎn)。微驅(qū)動(dòng)器按驅(qū)動(dòng)方式的不同分為電磁型，靜電型，壓電型，電熱型等各種類型微驅(qū) 動(dòng)器。電磁型微驅(qū)動(dòng)器在數(shù)毫米尺寸時(shí)可產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也具有較大的驅(qū)動(dòng)位移， 但由于電磁驅(qū)動(dòng)器需要加工線圈和磁體，涉及三維微加工技術(shù)，加工起來比較困難，不利于 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；靜電型微驅(qū)動(dòng)器在微小尺寸時(shí)顯示出許多優(yōu)越性，例如靜電驅(qū)動(dòng)時(shí)器件尺寸 越小，其單位體積上的力越大，它的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓高，但動(dòng)作范圍很小；壓電型微驅(qū)動(dòng)器， 由于電荷量的大小與外加力成正比，可輸出較大的驅(qū)動(dòng)力，但工作電壓通常在數(shù)十伏到數(shù) 百伏，而且受到材料的限制；電熱型微驅(qū)動(dòng)器雖然響應(yīng)頻率較低，動(dòng)態(tài)特性較差，但是相對 于前幾種驅(qū)動(dòng)器來講，具有驅(qū)動(dòng)電壓低，驅(qū)動(dòng)力大，行程大等優(yōu)點(diǎn)，重要的是制作工藝簡單， 適于批量化，因此在微機(jī)械中使用廣泛。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，電熱型微驅(qū)動(dòng)器已被世界學(xué)者廣泛研究。Peter等 在((MicroElectro Mechanical Systems))(中文名《微機(jī)電系統(tǒng)》)2010年第23次會議第 1151 頁上發(fā)表的題名 “Scaling of Folded Electro-thermal Actuators”(中文名稱“折 疊型電熱驅(qū)動(dòng)器的尺寸研究”)，報(bào)道了一種由金屬和氧化物作為雙層膜結(jié)構(gòu)的折疊型熱驅(qū) 動(dòng)器，在分布加熱的條件下，這種結(jié)構(gòu)的熱驅(qū)動(dòng)器比多層膜熱驅(qū)動(dòng)器熱敏感性能高26%，該 熱驅(qū)動(dòng)器主要用于旋轉(zhuǎn)微鏡系統(tǒng)，在低電壓驅(qū)動(dòng)的情況下(2V 12V)，可實(shí)現(xiàn)大的角位移 范圍從45° 90°，可調(diào)范圍很大，但這種驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給加工帶來一定難度，而且成 品率不以保證，故文中采用拓?fù)浞ㄖ谱饕幌盗袑ΨQ結(jié)構(gòu)，以代替不理想結(jié)構(gòu)。Trinh Chu Duc 等在((Journal of Microelectromechanical Systems))(中文名 《微機(jī)械系統(tǒng)》)2008年第17卷第823頁上發(fā)表的題名“Polymeric Thermal Microactuator With EmbeddedSilicon Skeleton :Part II—Fabrication, Characterization, and Application for 2-D0FMicrogripper”(中文名稱“具有嵌入型硅骨架的聚合物電熱微驅(qū) 動(dòng)器第二部分——二自由微夾鉗的制作，特性及應(yīng)用”)，報(bào)道了一種由具嵌入式硅骨架 的聚合物電熱微驅(qū)動(dòng)器組合而成微夾鉗結(jié)構(gòu)，主要用于夾持尺寸在6到40 μ m的微結(jié)構(gòu)， 此微夾鉗結(jié)構(gòu)由4個(gè)基于聚合物SU8的電熱微驅(qū)動(dòng)器組成，該驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)臂長360 μ m，寬 125 μ m，厚30 μ m，尺寸較小，驅(qū)動(dòng)位移較小，該驅(qū)動(dòng)器在2. 5V電壓下，驅(qū)動(dòng)位移僅為9 μ m。 此結(jié)構(gòu)由硅作為結(jié)構(gòu)支撐，涉及深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，鋁作電阻絲發(fā)熱結(jié)構(gòu)，涉及濺射技
3術(shù)，以及SU8膠填充技術(shù)，KOH刻蝕等微加工工藝，工藝種類多，操作復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作 用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，利用多層膜材料不同，其熱學(xué)性能及機(jī)械性能有顯著差異，從而實(shí)現(xiàn)在 小功率驅(qū)動(dòng)下，輸出較大的面外位移，該熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單而且制作工藝可靠，適于批量制造。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括熱基座、氧化鋁結(jié)構(gòu)層、鎳電阻 絲發(fā)熱層和聚合物功能輔助層，其中鎳電阻絲發(fā)熱層、氧化鋁結(jié)構(gòu)層和熱基座依次由上而 下設(shè)置，所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層為重疊部和懸臂梁部構(gòu)成的T字型結(jié)構(gòu)，聚合物功能輔助層 覆蓋于氧化鋁結(jié)構(gòu)層的懸臂梁部的外部并包裹鎳電阻絲發(fā)熱層，驅(qū)動(dòng)電壓施加于鎳電阻絲 發(fā)熱層的懸臂梁部上。所述的熱基座為金屬制成的支撐結(jié)構(gòu)，該熱基座以硅或玻璃圓片為襯底，采用 UV-LIGA技術(shù)，通過紫外線曝光光刻對外接電路光刻出模具，再以電鑄工藝電鑄成型，保證 熱驅(qū)動(dòng)臂的懸空高度。所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層，其功能是作為功能膨脹層，由于氧化鋁楊氏模量居中，大于 聚合物輔助功能層，小于金屬鎳電阻絲發(fā)熱層，當(dāng)鎳電阻絲發(fā)熱層發(fā)熱時(shí)，氧化鋁結(jié)構(gòu)層能 迅速受熱膨脹，能輸出較大作用力和位移。所述的鎳電阻絲發(fā)熱層內(nèi)設(shè)有若干呈柵狀排列的電阻絲，該鎳電阻絲發(fā)熱層為所 述電熱微驅(qū)動(dòng)器的熱源。本發(fā)明中的聚合物輔助功能層，有兩方面作用，一方面作為驅(qū)動(dòng)層，吸收少量余熱 輸出位移，在氧化鋁輸出位移上累加，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器位移變大；另一方面聚合物輔助功能層 作為絕熱層，可保證鎳電阻絲發(fā)熱層與空氣最少量的熱交換，使熱驅(qū)動(dòng)器的效率達(dá)到較大值。本發(fā)明基于MEMS微細(xì)加工技術(shù)，其基底可以根據(jù)器件的工作環(huán)境和使用要求加 以選擇，如硅片、玻璃片、氧化鋁陶瓷或者其他任何表面平整的基片。在此應(yīng)用三維非硅微 加工制作工藝，選用玻璃基底。與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于使用了氧化鋁與SU8聚合物相結(jié)合做驅(qū)動(dòng)層使用，與以往 使用雙層SU8做驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明技術(shù)效果包括對初始翹曲問題有了很大的改善， 末端位移已經(jīng)達(dá)到80微米左右，而使用雙層SU8做驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)(同樣尺寸的梁)，末端位移 僅30-50微米，且SU8與電阻絲結(jié)合力不好，容易脫離；同時(shí)通過仿真計(jì)算可知由于氧化鋁 剛度較大，輸出力可達(dá)幾百微牛，而使用雙層SU8結(jié)構(gòu)，輸出力僅為幾十微牛；本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 相對簡單，制作工藝易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，同時(shí)，結(jié)構(gòu)整體尺寸小，有利于MEMS器件的集成 化、批量化制造；采用氧化鋁與聚合物相結(jié)合，氧化鋁作為功能驅(qū)動(dòng)層能實(shí)現(xiàn)較大位移和驅(qū) 動(dòng)力，聚合物作為輔助功能層，一方面受熱有微小變形，另一方面主要用來保溫作用，以使 氧化鋁充分吸收電阻絲發(fā)熱層所發(fā)的焦耳熱，全部用于受熱彎曲變形；懸臂上開有對稱陣 列的小孔，有利于懸臂梁結(jié)構(gòu)厚銅的懸空釋放，以及結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的均勻化分布，大大改善了 懸臂梁結(jié)構(gòu)釋放后因內(nèi)應(yīng)力不均而翹曲的程度。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器有小體積，低重量，低功耗等優(yōu)良性能，且工藝兼容性好，易于實(shí)現(xiàn)，有利于實(shí)現(xiàn)微小器件集成 化，批量化，結(jié)構(gòu)材料采用氧化鋁與聚合物相結(jié)合，可保證鎳電阻絲發(fā)熱層與空氣最少量的 熱交換，使熱驅(qū)動(dòng)器的熱量利用率達(dá)到較大值，在驅(qū)動(dòng)力大的同時(shí)有效提高了熱驅(qū)動(dòng)器的 的響應(yīng)時(shí)間和速度。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為氧化鋁結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為鎳電阻絲發(fā)熱層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，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-圖3所示，本實(shí)施例包括熱基座1、氧化鋁結(jié)構(gòu)層2、鎳電阻絲發(fā)熱層3， 聚合物輔助功能層4，其中鎳電阻絲發(fā)熱層3、氧化鋁結(jié)構(gòu)層2和熱基座1依次由上而下設(shè) 置，聚合物功能輔助層4包覆于鎳電阻絲發(fā)熱層3的外部，驅(qū)動(dòng)電壓施加于鎳電阻絲發(fā)熱層 3上。所述的熱基座1的長度為500 μ m-3000 μ m,寬度300 μ m-1500 μ m，厚度 10 μ m-50 μ m。所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層2為重疊部5和懸臂梁部6構(gòu)成的T字型結(jié)構(gòu)，該氧化鋁結(jié) 構(gòu)層2的中間為重疊部5，該重疊部5與熱基座1重疊設(shè)置，所述的懸臂梁部6的長度為 300 μ m-1000 μ m，寬100 μ m-600 μ m，厚1 μ m-20 μ m,所述懸臂梁部6上設(shè)有若干個(gè)方洞陣 列7，其中的方洞的邊長為10 μ m-50 μ m，該方洞有利于懸臂梁的懸空釋放，加快釋放速度， 同時(shí)分散內(nèi)部應(yīng)力的作用。所述的鎳電阻絲發(fā)熱層3內(nèi)設(shè)有若干呈柵狀排列的電阻絲8，所述的柵狀排列具 體為首尾相聯(lián)的不等間距排布；所述的電阻絲8的截面邊長為1 μ m-20 μ mX 1 μ m-20 μ m,每兩根相鄰電阻絲的間 巨力 5 μ m-50 μ m。所述的聚合物輔助功能層4完全覆蓋于氧化鋁結(jié)構(gòu)層2的懸臂梁部的外部并包裹 鎳電阻絲發(fā)熱層3。
權(quán)利要求
一種基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，包括熱基座、氧化鋁結(jié)構(gòu)層、鎳電阻絲發(fā)熱層和聚合物功能輔助層，其特征在于鎳電阻絲發(fā)熱層、氧化鋁結(jié)構(gòu)層和熱基座依次由上而下設(shè)置，所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層為重疊部和懸臂梁部構(gòu)成的T字型結(jié)構(gòu)，聚合物功能輔助層覆蓋于氧化鋁結(jié)構(gòu)層的懸臂梁部的外部并包裹鎳電阻絲發(fā)熱層，驅(qū)動(dòng)電壓施加于鎳電阻絲發(fā)熱層的懸臂梁部上。
2.權(quán)利要求1所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是， 所述的熱基座的長度為500 μ m-3000 μ m,寬度為300 μ m-1500 μ m,厚度為10 μ m-50 μ m。
3.權(quán)利要求1所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是， 所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層的中間為重疊部，該重疊部與熱基座重疊設(shè)置，所述懸臂梁部的長度 為 300 μ m-1000 μ m,寬度為 100 μ m-600 μ m,厚度為 1 μ m-20 μ m。
4.權(quán)利要求1或3所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征 是，所述的懸臂梁部上設(shè)有若干個(gè)方洞陣列，其中的方洞的邊長為10 μ m-50 μ m。
5.權(quán)利要求1所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是， 所述的鎳電阻絲發(fā)熱層內(nèi)設(shè)有若干呈柵狀排列的電阻絲。
6.權(quán)利要求5所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是， 所述的柵狀排列為首尾相聯(lián)的不等間距排布。
7.權(quán)利要求5所述的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征 是，所述的電阻絲的截面邊長為1 μ m-20 μ mX 1 μ m-20 μ m,每兩根相鄰電阻絲的間距為 5 μ m-50 μ m。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的基于氧化鋁薄膜與聚合物聯(lián)合作用的電熱微驅(qū)動(dòng)器，包括熱基座、氧化鋁結(jié)構(gòu)層、鎳電阻絲發(fā)熱層和聚合物功能輔助層，其中鎳電阻絲發(fā)熱層、氧化鋁結(jié)構(gòu)層和熱基座依次由上而下設(shè)置，所述的氧化鋁結(jié)構(gòu)層為重疊部和懸臂梁部構(gòu)成的T字型結(jié)構(gòu)，聚合物功能輔助層覆蓋于氧化鋁結(jié)構(gòu)層的懸臂梁部的外部并包裹鎳電阻絲發(fā)熱層，驅(qū)動(dòng)電壓施加于鎳電阻絲發(fā)熱層的懸臂梁部上。本發(fā)明利用多層膜材料不同，其熱學(xué)性能及機(jī)械性能有顯著差異，從而實(shí)現(xiàn)在小功率驅(qū)動(dòng)下，輸出較大的面外位移，該熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單而且制作工藝可靠，適于批量制造。
文檔編號B81B3/00GK101905851SQ20101024311
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者侯捷, 吳義伯, 張叢春, 王娟, 錢群 申請人:上海交通大學(xué)