專利名稱：：基于u+v型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，具體是一種基于u+v型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
：微驅(qū)動器是微機電系統(tǒng)(MEMS)中實現(xiàn)微驅(qū)動功能的關(guān)鍵部件，其驅(qū)動位移/力的大小、驅(qū)動效率的高低以及動作的可靠性等指標(biāo)決定了系統(tǒng)的成敗，已經(jīng)成為近年來國內(nèi)外研究的熱點之一。根據(jù)能源供給方式不同，微驅(qū)動器一般分為靜電型、電磁型、壓電型、電熱型等。靜電型和電磁型微執(zhí)行器必須在共振狀態(tài)或者高電壓下工作才能得到大位移，此外它們產(chǎn)生的力也非常小。相比而言，壓電型和電熱型微驅(qū)動器能提供較大的位移和力，不過壓電驅(qū)動是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)通過外部施加電場來產(chǎn)生致動，同樣需要較高的驅(qū)動電壓。因此為了得到大的位移和力，人們注意到基于熱膨脹效應(yīng)的電熱微驅(qū)動器。按運動方式，電熱微驅(qū)動器可分為面內(nèi)驅(qū)動和面外驅(qū)動。前者是利用微結(jié)構(gòu)的非對稱熱膨脹來獲得平行于基底的橫向運動，其設(shè)計思想是用不同尺寸的同一材料使兩根平行的梁熱膨脹量不同，加熱時整個結(jié)構(gòu)向膨脹小的一方彎曲。這種驅(qū)動器被廣泛運用于各種領(lǐng)域，如微鏡、微夾鉗、繼電器等。后者是利用雙金屬效應(yīng)來獲得縱向運動,這種結(jié)構(gòu)提供的位移通常是垂直于襯底方向的,它類似于雙層膜結(jié)構(gòu)。但是這種面外驅(qū)動的電熱驅(qū)動器有以下顯著的缺點1、工藝過程中存在的殘余應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)在最后釋放懸空的時候即出現(xiàn)了末端翹曲，不能保持懸臂結(jié)構(gòu)的平直；2、由于雙層膜材料之間具有較大的熱膨脹系數(shù)差，在產(chǎn)生驅(qū)動位移的同時，因兩者之間的熱失配，使得它們之間的結(jié)合力較差，容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；3、由于僅使用其中熱膨脹系數(shù)較大的一層作為電熱驅(qū)動層，其產(chǎn)生熱量只有一部分傳導(dǎo)到了雙層結(jié)構(gòu)，且熱能散失較大，因此能量利用率較低。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，基于面內(nèi)運動的電熱微驅(qū)動器常見的形式有V型禾口U型兩禾中。Enikov等在《JournalofMicroelectromechanicalSystems》(《微機電系統(tǒng)》)2005年第14巻第4期第788頁上發(fā)表的題名"AnalyticalModelforAnalysisandDesignofV—ShapedThermalMicroactuators"("——禾中丫型熱微驅(qū)動器的設(shè)計和解析模型")，報道了一種基于多晶硅的V型梁電熱微驅(qū)動器，該電熱微致動器結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn)控制，且可以與集成電路制造工藝相兼容。但由于采用多晶硅工藝，成本較高，需要600-70(TC的較高溫度才能使驅(qū)動器達(dá)到數(shù)十微米的驅(qū)動位移，且驅(qū)動力也不夠大，限制了該類驅(qū)動器的應(yīng)用。同時，Qiu等在《JournalofMicroelectromechanicalSystems》(《微機電系統(tǒng)》)2005年第14巻第5期第1099頁上發(fā)表的題名"ABulk-MicromachinedBistableRelayWithU-ShapedThermalActuators"("—種體硅微加工的U型電熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)繼電器")，報道了一種以U型梁電熱微驅(qū)動器作為驅(qū)動機構(gòu)的微繼電器，提出了一種U型梁電熱微驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用一面具有金屬涂層的硅作為電熱驅(qū)動部分，金屬涂層的作用是使硅驅(qū)動梁上的熱量盡快散失形成相對另一根梁(熱臂)的冷臂，根據(jù)兩根梁上的熱量差異導(dǎo)致U型梁偏轉(zhuǎn)。一般情況下，對于電熱器件來說，升溫過程遠(yuǎn)大于降溫過程，顯然該設(shè)計沒有做到避害就利，因此該驅(qū)動器響應(yīng)很低，且驅(qū)動電壓較高，與集成電路標(biāo)準(zhǔn)工藝不兼容。
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U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，采用聚合物材料作為驅(qū)動主體，在V型電熱驅(qū)動器的電極兩端通入一定電流，使得V型聚合物驅(qū)動層體積膨脹，通過在V型電熱驅(qū)動器兩端部施加一對U型電熱驅(qū)動器產(chǎn)生的驅(qū)動力偶，推動V型電熱驅(qū)動器的驅(qū)動位移，從而實現(xiàn)對V型電熱驅(qū)動器端部位移進(jìn)行放大。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明為復(fù)合懸臂梁式結(jié)構(gòu)，包括兩組相同結(jié)構(gòu)的U型梁基座、U型梁電極、V型梁基座、V型梁電極、U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器和一個V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器。其中兩組相同結(jié)構(gòu)的U型梁基座和V型梁基座分別位于襯底上，U型梁電極位于U型梁基座之上，V型梁電極位于V型梁基座之上，U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器位于V型梁基座上并分別與v型梁電極、u型梁電極以及v型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連接。所述的U型梁基座和V型梁基座均包括金屬支撐和引線電極，其中金屬支撐固定位于襯底上方，引線電極位于金屬支撐上方形成與外部電路的電接觸。4所述的襯底采用玻璃片、硅片、氧化鋁或陶瓷制成。所述的U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂、U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層和U型冷臂聚合物層，其中U型雙熱臂金屬電阻絲一端與U型梁電極相連，另一端與V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連，U型金屬冷臂一端與V型梁電極相連，另一端與V型梁基座相連，U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層與u型梁基座相連，u型冷臂聚合物層與v型梁基座相連。所述的V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括V型金屬電阻絲、金屬觸點和V型聚合物驅(qū)動層，其中V型金屬電阻絲與U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連，金屬觸點位于v型金屬電阻絲的對稱中點，V型聚合物驅(qū)動層與u型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連。所述的u型雙熱臂金屬電阻絲和V型金屬電阻絲為蛇形結(jié)構(gòu)的金屬電阻絲，u型金屬冷臂為金屬梁，該金屬電阻絲的直徑小于金屬梁的直徑。所述的U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂、V型金屬電阻絲均由鎳(Ni)、銅(Cu)、金(Au)、鈾(Pt)、鈦(Ti)、鴇(W)、鉻銅(Cr/Cu)、鉻金(Cr/Au)、鐵鎳(Fe/Ni)或鈦鉤(Ti/W)等金屬或合金材料中的任意一種制成，這些金屬及其合金都可以通過電化學(xué)沉積或濺射方法制備出來，與MEMS技術(shù)兼容。具有蛇形彈簧結(jié)構(gòu)的金屬電阻絲有兩個功能一是作為發(fā)熱源將產(chǎn)生的熱能全部傳遞給U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層，二是作為彈簧機構(gòu)實現(xiàn)對V型復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器的柔性屈服控制，以產(chǎn)生更大的驅(qū)動位移。所述的聚合物驅(qū)動層均由聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚對二甲苯(Pary1ene)或感光性負(fù)膠(SU-8)等聚合物材料中的任意一種制成。所述的U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層、U型冷臂聚合物層和V型聚合物驅(qū)動層包裹于U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂和V型金屬電阻絲的外部形成聚合物_金屬-聚合物的三明治結(jié)構(gòu)，一方面可以使得金屬電阻絲產(chǎn)生的焦耳熱被聚合物層充分吸收，另一方面可以提高聚合物層的驅(qū)動強度。本發(fā)明以微機電系統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，采用室溫下多次疊層電鍍及圖形化材料來實現(xiàn)金屬微結(jié)構(gòu)的制作。本發(fā)明在同時施加三路脈沖電流的情況下，金屬電阻絲將產(chǎn)生一定的焦耳熱，這些熱量完全被聚合物層吸收，V型電熱驅(qū)動器除了自身的驅(qū)動位移外，還將產(chǎn)生一個由于左右對稱的U型雙熱臂電熱驅(qū)動器在V型電熱驅(qū)動器兩端施加一對驅(qū)動力偶作用下的偏轉(zhuǎn)位移，從而實現(xiàn)對V型電熱驅(qū)動器端部位移進(jìn)行放大。因此，器件就可以在平行襯底方向產(chǎn)生一個面內(nèi)運動的水平位移，并會輸出一定的驅(qū)動力。在斷開脈沖電源之后，器件冷卻恢復(fù)室溫，結(jié)構(gòu)恢復(fù)平直。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、采用蛇形結(jié)構(gòu)的金屬電阻絲作為金屬熱臂，一方面作為發(fā)熱源起到通電過程中產(chǎn)生更多焦耳熱的作用，另一方面提高了聚合物層的剛度，將產(chǎn)生更大的位移和驅(qū)動力。2、釆用具有較大熱膨脹系數(shù)的聚合物包裹金屬電阻絲，形成聚合物-金屬-聚合物結(jié)構(gòu)，充分利用輸入能量，有效提高了能量利用率，同時蛇形金屬電阻絲作為骨架支撐聚合物結(jié)構(gòu)，可以有效的防止聚合物層與基底粘連導(dǎo)致器件失效。3、本發(fā)明中以玻璃、硅片或氧化鋁陶瓷為基底，工藝更簡單易實現(xiàn)，成本更低廉，且通過電鍍技術(shù)或濺射方法制備的金屬和聚合物材料在MEMS集成制造過程中都是非常成熟的工藝，適合大批量集成制造。圖l是實施例l結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實施例1中U型梁基座和V型梁基座結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實施例1中金屬電阻絲結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實施例1中聚合物層結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實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施例。如圖1至圖4所示，實施例l包括U型梁基座l、U型梁電極2、V型梁基座3、V型梁電極4、U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器5和V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器6，其中兩組相同結(jié)構(gòu)的U型梁基座1和V型梁基座3分別位于襯底上，U型梁電極2位于U型梁基座1之上，V型梁電極4位于V型梁基座3之上，U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器5位于V型梁基座3上并分別與V型梁電極4、U型梁電極2以及V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器6相連接。所述的襯底采用2mm厚的玻璃片。所述的U型梁基座1和V型梁基座3均包括金屬支撐和引線電極，其中金屬支撐固定位于襯底上方，引線電極位于金屬支撐上方形成與外部電路的電接觸。所述的U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器5包括U型雙熱臂金屬電阻絲7、U型金屬冷臂8、U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層12、U型冷臂聚合物層13。U型雙熱臂金屬電阻絲7—端與U型梁電極2相連，另一端與V型金屬電阻絲9相連；U型金屬冷臂8—端與V型梁電極4相連，另一端與V型梁基座3相連；U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層12與U型梁基座1相連，另一端與V型聚合物驅(qū)動層14相連；U型冷臂聚合物層13與U型梁基座1相連，另一端與V型梁基座3相連。所述的V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器6包括V型金屬電阻絲9、金屬觸點10和V型聚合物驅(qū)動層14。V型金屬電阻絲9分別與U型金屬冷臂8相連，V型聚合物驅(qū)動層14分別與U型冷臂聚合物層13相連，金屬觸點10位于V型金屬電阻絲9的對稱中點。所述的U型雙熱臂金屬電阻絲7、U型金屬冷臂8、V型金屬電阻絲9被所述的U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層12、U型冷臂聚合物層13、V型聚合物驅(qū)動層14包裹形成聚合物-金屬-聚合物的三明治結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述的U型梁基座1和V型梁基座3分別位于基底上，U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器兩端分別由U型梁基座1和V型梁基座3支撐，形成橋式結(jié)構(gòu)；V型復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器6的兩端分別由左右分布的V型梁基座3支撐。支撐基座的存在，使得所設(shè)計的U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器和V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器成為橋式結(jié)構(gòu)，可有效避免因懸臂梁式結(jié)構(gòu)因粘連而使器件失效的問題。如圖3所示，所述的U型雙熱臂金屬電阻絲7和V型金屬電阻絲9為蛇形彈簧結(jié)構(gòu)的細(xì)長金屬電阻絲，U型金屬冷臂8具有普通條狀的粗短金屬梁，所述U型雙熱臂金屬電阻絲7和V型金屬電阻絲9的直徑小于U型金屬冷臂8的直徑。該U型雙熱臂金屬電阻絲7和V型金屬電阻絲9有兩個功能一是作為發(fā)熱源將產(chǎn)生的熱能全部傳遞給聚合物層，二是作為彈簧機構(gòu)實現(xiàn)對V型復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器6的柔性屈服控制，以產(chǎn)生更大的驅(qū)動位移。如圖4所示，由于聚合物具有比金屬非常高的熱膨脹系數(shù)，將會比單純金屬或多晶硅等產(chǎn)生更大的驅(qū)動位移。但聚合物又具有比金屬或多晶硅等低的彈性模量，通過將U型雙熱臂金屬電阻絲7、U型金屬冷臂8、V型金屬電阻絲9包裹起來形成三明治結(jié)構(gòu)，一方面提高了能量利用率，另一方面增加了聚合物層的彈性模量，有效提高了微驅(qū)動器的驅(qū)動剛度。權(quán)利要求1、一種基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，其特征在于，包括一個V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器以及兩組相同結(jié)構(gòu)的U型梁基座、U型梁電極、V型梁基座、V型梁電極和U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器，其中兩組相同結(jié)構(gòu)的U型梁基座和V型梁基座分別位于襯底上，U型梁電極位于U型梁基座之上，V型梁電極位于V型梁基座之上，U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器位于V型梁基座上并分別與V型梁電極、U型梁電極以及V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連接。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，其特征是，所述的U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂、U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層和U型冷臂聚合物層，其中U型雙熱臂金屬電阻絲一端與u型梁電極相連，另一端與v型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連，u型金屬冷臂一端與v型梁電極相連，另一端與v型梁基座相連，u型雙熱臂聚合物驅(qū)動層與u型梁基座相連，U型冷臂聚合物層與V型梁基座相連。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，其特征是，所述的V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括V型金屬電阻絲、金屬觸點和V型聚合物驅(qū)動層，其中V型金屬電阻絲與U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連，金屬觸點位于v型金屬電阻絲的對稱中點，V型聚合物驅(qū)動層與u型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器相連。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器,其特征是，所述的u型雙熱臂金屬電阻絲和v型金屬電阻絲為蛇形結(jié)構(gòu)的金屬電阻絲，u型金屬冷臂為金屬梁，該金屬電阻絲的直徑小于金屬梁的直徑。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器,其特征是，所述u型聚合物驅(qū)動層和v型聚合物驅(qū)動層由聚酰亞胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚對二甲苯或感光性負(fù)膠SU-8中的一種制成。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，其特征是，所述的U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層、U型冷臂聚合物層和V型聚合物驅(qū)動層包裹于U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂和V型金屬電阻絲的外部形成聚合物-金屬-聚合物的三明治結(jié)構(gòu)。全文摘要一種基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動器，屬于微機電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明包括U型梁基座、U型梁電極、V型梁基座、V型梁電極、U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器、V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器。所述U型雙熱臂復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂、U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層和U型冷臂聚合物層；所述V型復(fù)合梁電熱驅(qū)動器包括V型金屬電阻絲、金屬觸點和V型聚合物驅(qū)動層。U型雙熱臂金屬電阻絲、U型金屬冷臂和V型金屬電阻絲完全被所述的U型雙熱臂聚合物驅(qū)動層、U型冷臂聚合物層和V型聚合物驅(qū)動層包裹，形成聚合物-金屬-聚合物的三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的電熱微驅(qū)動器驅(qū)動位移較大、驅(qū)動剛度較高、功耗低、且能量利用率高。文檔編號H02N10/00GK101621261SQ20091005596公開日2010年1月6日申請日期2009年8月6日優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日發(fā)明者丁桂甫,吳義伯,張叢春,張小波,娟王,王亞攀申請人:上海交通大學(xué)