專(zhuān)利名稱：聚合物基面外運(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)明涉及一種微驅(qū)動(dòng)器，具體是一種聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在MEMS器件中，微驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)主要組成部分。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)方式，可分為面內(nèi)驅(qū)動(dòng)器和面外驅(qū)動(dòng)器。面外驅(qū)動(dòng)器可以把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為沿基底法線方向的位移量。被廣泛運(yùn)用于光掃描儀，光開(kāi)關(guān)，微繼電器，可變電容等。諸如電磁，靜電，電熱和壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)理均曾被用于面外驅(qū)動(dòng)器。而電熱微驅(qū)動(dòng)器具有驅(qū)動(dòng)電壓低，制備工藝簡(jiǎn)單且可以和CMOS工藝相兼容的優(yōu)勢(shì)，是一種適合微尺度結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，用于驅(qū)動(dòng)各種MEMS器件。
現(xiàn)有的面外熱驅(qū)動(dòng)器多為多層結(jié)構(gòu)。如雙層電熱微驅(qū)動(dòng)器運(yùn)用雙層結(jié)構(gòu)來(lái)獲得面外運(yùn)動(dòng)。這些雙層結(jié)構(gòu)由兩種熱膨脹系數(shù)不同的材料構(gòu)成，在存在一定的溫度差時(shí)，由于每層熱膨脹程度不同而產(chǎn)生面外的位移。單層金屬結(jié)構(gòu)也有研究，雖然能實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)但其輸入功率高且面外驅(qū)動(dòng)位移小，較少應(yīng)用。
許多材料組合的形式均可實(shí)現(xiàn)電熱面外驅(qū)動(dòng)，最常見(jiàn)的為金屬和氮化硅，多晶硅或二氧化硅等材料構(gòu)成的雙層懸臂結(jié)構(gòu)。但是電熱面外驅(qū)動(dòng)器有以下顯著的缺點(diǎn)工藝過(guò)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(shí)候即出現(xiàn)了末端翹曲，不能保持懸臂結(jié)構(gòu)的平直；若想產(chǎn)生較大的翹曲位移，需較大功率，位移功率密度較低；結(jié)構(gòu)重復(fù)利用易疲勞；響應(yīng)頻率低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，J.Teng*等在《Sensors and Actuators A》(《傳感器與執(zhí)行器A》，2005年123/124期608-613頁(yè))發(fā)表了題為“Focusedion beam fabrication of thermally actuated bimorph cantilevers”(“用聚焦離子束法制造熱驅(qū)動(dòng)雙層膜懸臂梁”)的論文，提出了以金和氮化硅為雙層結(jié)構(gòu)，氮化硅上沉積的鉑為熱源的雙層結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器的制備。由于工藝過(guò)程中化學(xué)氣相沉積氮化硅和濺射金的過(guò)程中存在殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力以及雙層結(jié)構(gòu)過(guò)薄和結(jié)構(gòu)厚度不均等因素的存在使得器件在懸空釋放之后，即出現(xiàn)明顯的末端翹曲；且雙層結(jié)構(gòu)的熱源來(lái)自于結(jié)構(gòu)上方的薄層鉑，其產(chǎn)生熱量只有一部分傳導(dǎo)到了雙層結(jié)構(gòu)，能量利用率不高。且工藝復(fù)雜，對(duì)工藝條件提出較高要求，成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，使雙層結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器懸空部分保持基本平直，并顯著提高驅(qū)動(dòng)器的位移功率密度，輸入較小的功率即能實(shí)現(xiàn)較大的面外翹曲位移。采用SU-8膠包裹鎳電阻絲的三明治結(jié)構(gòu)，充分利用輸入能量。由于散熱比表面的增大，微結(jié)構(gòu)的散熱速度會(huì)顯著優(yōu)于宏觀結(jié)構(gòu)。工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，成本低廉適合大批量集成制造。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括基座支撐結(jié)構(gòu)、引線電極、功能翹曲層、翹曲牽制層。翹曲牽制層位于功能翹曲層上方，形成雙層結(jié)構(gòu)。引線電極與功能翹曲層相連，用于電輸入，引線電極置于基座支撐結(jié)構(gòu)之上，雙層結(jié)構(gòu)的另一端懸空，整個(gè)器件形成一種懸臂梁式結(jié)構(gòu)。
所述的基底支撐結(jié)構(gòu)為硅基底，在硅片正面為聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，背面開(kāi)出窗口，使得結(jié)構(gòu)懸空。
所述的功能翹曲層為聚合物SU-8膠包裹鎳電阻條構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，被SU-8膠包裹的還有鎳電柱，鎳電柱用于支撐起鎳電阻條以使之懸空被SU-8膠包裹。被SU-8膠包裹的鎳電阻條由兩排上下對(duì)稱的縱向柵形鎳電阻條相連而成。鎳電阻條下端有四排橫向平行并且橫向等間距排布的方形陣列的鎳電柱，鎳電柱位于鎳電阻條“幾”字形狀的橫梁下，可以支撐起鎳電阻條，使得鎳電阻條懸空，以方便SU-8膠包裹。
所述的翹曲牽制層為橫向排布的鎳電阻條，橫向鎳電阻條再在縱向等間距排布，形成若干平行的橫向鎳電阻條，鎳電阻條之間相互不連通，其作用為牽制雙層結(jié)構(gòu)向翹曲牽制層方向翹曲。
本發(fā)明以微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，采用室溫下在雙面拋光氧化硅片襯底上多次疊層電鍍及圖形化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制作。本發(fā)明在施加電壓的情況下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焦耳熱，隨之產(chǎn)生一定的機(jī)械延展性，由于雙層結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不同，向熱膨脹系數(shù)小的鎳電阻條方向翹曲，產(chǎn)生面外翹曲位移并輸出力。在斷開(kāi)電源之后，結(jié)構(gòu)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)明針對(duì)以往雙層結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器常溫不通電情況下懸空部分難以保持平直，輸入功率大，位移功率密度不高等方面存在的問(wèn)題，提出了一種新型的聚合物基電熱微驅(qū)動(dòng)器，對(duì)初始翹曲問(wèn)題有了很大的改善，器件基本保持平直，當(dāng)輸入功率為20mW時(shí)，位移功率密度可達(dá)290nm/mW。相比J.Teng*等在論文中涉及的金和氮化硅雙層結(jié)構(gòu)而言，此結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，不必涉及濺射功能層等工藝步驟，所用材料僅為鎳和SU-8膠，成本低廉，適合大批量集成制造。


圖1是實(shí)施例1新型聚合物基電熱微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意2是實(shí)施例1的鎳電柱支撐結(jié)構(gòu)示意3是實(shí)施例1的鎳電阻條通電置熱翹曲部分的結(jié)構(gòu)示意4是實(shí)施例1的被鎳電柱支撐懸空的鎳電阻條結(jié)構(gòu)示意5是實(shí)施例1的SU-8膠包裹鎳電阻條的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
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)施例聚合物基電熱微驅(qū)動(dòng)器包括基座支撐結(jié)構(gòu)1、引線電極2、功能翹曲層3、翹曲牽制層4；基座支撐結(jié)構(gòu)1位于引線電極2的下端，用于對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的支撐作用，引線電極2位于基座支撐結(jié)構(gòu)1之上，功能翹曲層3和翹曲牽制層4構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)，其中功能翹曲層3位于翹曲牽制層4下端。其中功能翹曲層為聚合物SU-8膠7包裹鎳電阻條6構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，被SU-8膠7包裹的還有鎳電柱5，鎳電柱5用于支撐起鎳電阻條6以使之懸空被SU-8膠7包裹。
圖2是鎳電柱5的示意圖，鎳電柱5為長(zhǎng)寬相等范圍在5-50微米，高度在3微米左右的正四棱柱。鎳電柱四排橫向平行，并且橫向等間距排布，位于鎳電阻條“幾”字形狀的橫梁下，可以支撐起鎳電阻條，使得鎳電阻條懸空，以方便SU-8膠包裹。
圖3是功能翹曲層中SU-8膠包裹的鎳電阻條6的示意圖，此鎳電阻條6為兩排上下對(duì)稱平行的柵形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鎳電阻條6在功能翹曲層3懸空末端相連接，在功能翹曲層3始端，鎳電阻條6和引線電極2相連。鎳電阻條6線寬為3-50微米，厚為2-4微米，其形狀，線寬，厚度可以根據(jù)電阻值的要求改變，如為增大電阻值，以減小輸入功率，可以增加其長(zhǎng)度，減小其厚度。
圖4是被鎳電柱5支撐懸空的鎳電阻條6。
圖5是SU-8膠7包裹圖4結(jié)構(gòu)形成完整的功能翹曲層3，SU-8膠厚度大約為6-8微米。
圖1中的翹曲牽制層4為橫向鎳電阻條，鎳電阻條在縱向等間距排布，間距與鎳電阻條等寬，為5-50微米，厚度為3-8微米，其作用僅僅為牽制功能翹曲層3向翹曲牽制層4方向翹曲。
在引線電極2上加載外加電壓，鎳電阻條6中有電流流過(guò)，產(chǎn)生焦耳熱，熱量傳導(dǎo)，使整個(gè)雙層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的機(jī)械延展，功能翹曲層3和翹曲牽制層4之間存在熱失配，功能翹曲層3膨脹得比翹曲牽制層4厲害，由于一端被固定在基座支撐結(jié)構(gòu)1上，使得雙層結(jié)構(gòu)懸空一端向翹曲牽制層4一方翹曲。在沒(méi)有加載電壓時(shí)，保持結(jié)構(gòu)平直。以鎳電阻條6中加載和斷開(kāi)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)翹曲或平直的轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，包括基座支撐結(jié)構(gòu)、引線電極、功能翹曲層、翹曲牽制層，其特征在于翹曲牽制層位于功能翹曲層上方，形成雙層結(jié)構(gòu)，引線電極與功能翹曲層相連，用于電輸入，引線電極置于基座支撐結(jié)構(gòu)之上；所述的功能翹曲層為SU-8膠包裹鎳電阻條構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，被SU-8膠包裹的還有鎳電柱，鎳電柱用于支撐起鎳電阻條，使鎳電阻條懸空被SU-8膠包裹。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的基座支撐結(jié)構(gòu)是雙面拋光氧化硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的SU-8負(fù)膠包裹著的鎳電阻條是由兩排上下對(duì)稱的縱向柵形鎳電阻條相連而成，鎳電阻條下端有四排橫向平行并且橫向等間距排布的方形陣列的鎳電柱，鎳電柱位于鎳電阻條“幾”字形狀的橫梁下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的SU-8負(fù)膠包裹著的鎳電阻條線寬為3-50微米，厚為2-4微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的鎳電柱長(zhǎng)寬相等的正四棱柱，其長(zhǎng)寬范圍在5-50微米，高度為3微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，在所述功能翹曲層末端被SU-8膠包裹著的兩排鎳電阻絲相連，功能翹曲層始端的鎳電阻條與兩個(gè)引線電極相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述SU-8膠厚度為6-8微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的翹曲牽制層是橫向的鎳電阻條，鎳電阻條在縱向形成等間距平行排布。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述的翹曲牽制層中鎳電阻條間距與鎳電阻條等寬，為5-50微米，鎳電阻條厚度為3-8微米。
全文摘要
一種聚合物基面外運(yùn)動(dòng)電熱微驅(qū)動(dòng)器，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括基座支撐結(jié)構(gòu)、引線電極、功能翹曲層、翹曲牽制層；翹曲牽制層位于功能翹曲層上方，形成雙層結(jié)構(gòu)，引線電極與功能翹曲層相連，用于電輸入，引線電極置于基座支撐結(jié)構(gòu)之上；所述的功能翹曲層為SU－8膠包裹鎳電阻條構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，被SU－8膠包裹的還有鎳電柱，鎳電柱用于支撐起鎳電阻條，使鎳電阻條懸空被SU－8膠包裹。本發(fā)明用聚合物基包裹鎳電阻絲直接作為功能翹曲層，實(shí)現(xiàn)了面外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也很好地改善了雙層結(jié)構(gòu)電熱驅(qū)動(dòng)器釋放后懸空部分難以保持平直的現(xiàn)象；當(dāng)輸入功率為20mW時(shí)，位移功率密度達(dá)290nm/mW。
文檔編號(hào)H01L37/00GK101075795SQ20071003999
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月26日
發(fā)明者丁桂甫, 張丹, 曾文光 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)