本發(fā)明涉及mems微執(zhí)行器，特別涉及一種基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，mems技術(shù)倍受重視，微執(zhí)行器作為mems技術(shù)的一個(gè)重要分支，是許多微電子機(jī)械系統(tǒng)中的重要組成部分。微執(zhí)行器作為最基本的能量轉(zhuǎn)換單元，一般是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械操作。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理可分為以下四類(lèi)：靜電式、電磁式、電熱式、壓電式等。目前，較為常用的是電熱式mems驅(qū)動(dòng)器，特別是對(duì)于垂直平動(dòng)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，電熱式應(yīng)用最為廣泛。例如，對(duì)于面向fts系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，mems掃描微鏡需要輸出垂直平動(dòng)方向的大位移量，而bimorph驅(qū)動(dòng)臂可以輸出角度變化量，無(wú)法直接輸出垂直平動(dòng)的位移變化量，于是有研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)了電熱式lsf型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩組bimorph驅(qū)動(dòng)臂線陣，第一組bimorph連接基底和外框，第二組bimorph則連接鏡面與外框，當(dāng)電加熱驅(qū)動(dòng)時(shí)，第一組bimorph驅(qū)動(dòng)臂發(fā)生彎曲使外框與基底產(chǎn)生傾角，而第二組bimorph驅(qū)動(dòng)臂使外框與鏡面產(chǎn)生傾角，由于兩組bimorph驅(qū)動(dòng)臂長(zhǎng)度相同，這就使鏡面驅(qū)動(dòng)抬升后不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。然而，電熱式lsf型mems驅(qū)動(dòng)器由于采用電熱驅(qū)動(dòng)，其產(chǎn)生位移或驅(qū)動(dòng)動(dòng)力依然較小，電熱材料在頻繁的加熱冷卻過(guò)程中不僅存在反應(yīng)滯后性，其材料本身的抗疲勞強(qiáng)度顯著下降，導(dǎo)致其耐久性和穩(wěn)定性變差，而且電熱式lsf型mems驅(qū)動(dòng)器的制備過(guò)程也存在著工藝復(fù)雜，產(chǎn)品一致性差等問(wèn)題，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種基于磁致伸縮的lsf型mems微執(zhí)行器及其制備方法，以克服現(xiàn)有電熱式雙lsf型mems微執(zhí)行器所存在的技術(shù)缺陷。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，包括bimorph驅(qū)動(dòng)臂，bimorph驅(qū)動(dòng)臂為層狀膜結(jié)構(gòu)，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成，在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，所述磁致伸縮材料發(fā)生膨脹伸縮，非磁致伸縮材料不膨脹收縮，由此使bimorph驅(qū)動(dòng)臂彎曲變形而形成驅(qū)動(dòng)力。

3、進(jìn)一步，所述磁致伸縮材料選自鎳及其合金磁致伸縮材料、鐵基合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料中的一種。

4、進(jìn)一步，所述非磁致伸縮材料選自鋁、鉑、銅、硅、二氧化硅、碳化硅、氮化鎵中的一種。

5、進(jìn)一步，所述bimorph驅(qū)動(dòng)臂為雙層膜結(jié)構(gòu)，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成。

6、進(jìn)一步，所述mems微執(zhí)行器包括基底錨點(diǎn)，基底錨點(diǎn)的一端與第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與第一剛性直臂的一端連接，第一剛性直臂的另一端與第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與第二剛性直臂的一端連接，第二剛性直臂的另一端與第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與質(zhì)量塊連接，以形成折疊式的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

7、進(jìn)一步，所述第一剛性直臂和第二剛性直臂由非磁致伸縮材料制成。

8、進(jìn)一步，所述第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂、第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂以及第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度分別為lb1、lb2和lb3，三段bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度滿足lb2＝lb1+lb3的關(guān)系。

9、進(jìn)一步，所述三段bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度滿足lb1＝lb3＝lb2/2的關(guān)系。

10、進(jìn)一步，所述bimorph驅(qū)動(dòng)臂彎曲的角度為：△θ＝(β·lb)/tb·△α·△b，其中，β為bimorph的曲率系數(shù)，tb為bimorph的厚度，δα為兩層材料的磁致伸縮系數(shù)λ的差值，δb為bimorph上磁場(chǎng)的變化量，lb為bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度。

11、進(jìn)一步，本發(fā)明還包括一種基于磁致伸縮的雙lsf型mems微執(zhí)行器的制備方法，包括如下步驟：

12、步驟1、清洗soi晶圓襯底，soi晶圓襯底從上到下依次包括頂硅層、二氧化硅層以及襯底硅層；

13、步驟2、在頂硅層上進(jìn)行第一次光刻，光刻露出需要沉積磁致伸縮材料的窗口；

14、步驟3、在頂硅層的上表面沉積一層磁致伸縮材料作為磁致伸縮層；

15、步驟4、采用剝離工藝，剝離掉多余的磁致伸縮薄膜；

16、步驟5、在磁致伸縮層上沉積一層非磁致伸縮材料作為非磁致伸縮層；

17、步驟6、在頂硅層的上表面進(jìn)行第二次光刻，圖形化露出需刻蝕的非磁致伸縮材料；

18、步驟7、利用干法刻蝕工藝，刻蝕非磁致伸縮材料；

19、步驟8、在襯底硅層上進(jìn)行第三次光刻，圖形化需要刻蝕的襯底；

20、步驟9、采用干法刻蝕工藝，刻蝕掉襯底硅層，直到完全釋放出lsf型結(jié)構(gòu)橋臂；

21、步驟10、采用硅干法各向同性刻蝕工藝，對(duì)正面進(jìn)行刻蝕，刻蝕掉bimorph驅(qū)動(dòng)臂下面的頂硅層，完成驅(qū)動(dòng)臂的釋放。

22、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

23、1、本發(fā)明提供的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，利用磁致伸縮應(yīng)變力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)明顯優(yōu)于其他驅(qū)動(dòng)方式；

24、2、本發(fā)明提供的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，利用三段驅(qū)動(dòng)臂串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的無(wú)橫向側(cè)移，水平垂直大位移運(yùn)動(dòng)，可以滿足相應(yīng)的mems器件的工作需求；

25、3、本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，利用微機(jī)械加工工藝，可以與許多結(jié)構(gòu)集成構(gòu)成mems系統(tǒng)中的執(zhí)行器，如微鏡，換能器等，相比于電熱式微執(zhí)行器，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。

技術(shù)特征：

1.一種基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，包括bimorph驅(qū)動(dòng)臂，其特征在于，bimorph驅(qū)動(dòng)臂為層狀膜結(jié)構(gòu)，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成，在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，所述磁致伸縮材料發(fā)生膨脹伸縮，非磁致伸縮材料不膨脹收縮，由此使bimorph驅(qū)動(dòng)臂彎曲變形而形成驅(qū)動(dòng)力。

2.如權(quán)利要求1所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述磁致伸縮材料選自鎳及其合金磁致伸縮材料、鐵基合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料中的一種或者多種復(fù)合層材料。

3.如權(quán)利要求2所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述非磁致伸縮材料選自金屬或者非金屬中的一種或者多種材料復(fù)合層。

4.如權(quán)利要求3所述的基于磁致伸縮的lsf型mems微執(zhí)行器，其特征在于，所述bimorph驅(qū)動(dòng)臂為雙層膜結(jié)構(gòu)，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成。

5.如權(quán)利要求4所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述mems微執(zhí)行器包括基底錨點(diǎn)，基底錨點(diǎn)的一端與第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與第一剛性直臂的一端連接，第一剛性直臂的另一端與第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與第二剛性直臂的一端連接，第二剛性直臂的另一端與第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的一端連接，第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的另一端與質(zhì)量塊連接，以形成折疊式的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

6.如權(quán)利要求5所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述第一剛性直臂和第二剛性直臂由非磁致伸縮材料制成。

7.如權(quán)利要求6所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述第一bimorph驅(qū)動(dòng)臂、第二bimorph驅(qū)動(dòng)臂以及第三bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度分別為lb1、lb2和lb3，三段bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度滿足lb2＝lb1+lb3的關(guān)系時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)為側(cè)向位移和轉(zhuǎn)角。

8.如權(quán)利要求7所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述三段bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度滿足lb1＝lb3＝lb2/2的關(guān)系。

9.如權(quán)利要求8所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器，其特征在于，所述bimorph驅(qū)動(dòng)臂彎曲的角度為：△θ＝(β·lb)/tb·△α·△b，其中，β為bimorph的曲率系數(shù)，tb為bimorph的厚度，δα為磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)λ的差值，δb為bimorph上磁場(chǎng)的變化量，lb為bimorph驅(qū)動(dòng)臂的長(zhǎng)度。

10.一種如權(quán)利要求1-9任一所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執(zhí)行器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于磁致伸縮的LSF型MEMS執(zhí)行器及其制備方法，其基本結(jié)構(gòu)包含三段Bimorph驅(qū)動(dòng)臂，兩段剛性直臂。Bimorph驅(qū)動(dòng)臂為非磁致伸縮材料和磁致伸縮材料形成的多層結(jié)構(gòu)，剛性直臂為非磁致伸縮材料。在外加磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，Bimorph驅(qū)動(dòng)臂中磁致伸縮材料會(huì)發(fā)生膨脹，而非磁致伸縮材料不發(fā)生膨脹，因應(yīng)力作用驅(qū)動(dòng)臂會(huì)發(fā)生形變彎曲，帶動(dòng)直臂傾斜，由于三段驅(qū)動(dòng)臂彎曲的方向不一樣，同時(shí)彎曲角度互補(bǔ)抵消，保證了質(zhì)量塊在整個(gè)垂直平動(dòng)過(guò)程中始終與初始狀態(tài)保存平行。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)位移大，無(wú)橫向側(cè)移，運(yùn)用MEMS加工工藝，可以集成MEMS執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)部件，促進(jìn)MEMS執(zhí)行器領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：李易,焦文龍,姜森林,謝會(huì)開(kāi)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)重慶微電子研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29