双向横向热执行器结构设计

　　1　引言

　　热驱动微执行器由于其相对静电驱动和磁驱动的优势,被广泛地研究,按运动方式其可分为:纵向和横向两种。前者是利用双金属层效应来获得纵向运动^[1] ,这种结构提供的偏转通常是垂直于衬底方向的,它类似于Bimorph结构。这种执行器被广泛运用于各种领域,如微镜^[2] 、微镊子^[3] ;后者是利用微结构的非对称热膨胀来获得横向运动,其设计思想是用不同尺寸的同一材料(多晶硅)使两根平行的梁热膨胀量不同,加热时整个结构向冷臂方向弯曲,偏转通常是平行于衬底方向^[4] 。停止加热后,由于热量散失,梁将会回复到初时位置。但这种结构只能提供单向偏转,不能实现双向。这种多晶硅横向执行器在许多研究中被改进和提高^[5-6] ,并提出许多分析模型用来预测其运动规律^[7] 。

　　本文在单向横向微执行器的基础上提出一种新的,能够实现双向运动的横向微执行器。采用对称结构设计,双臂都可以加热,加热臂成为热臂,膨胀量大,整个结构向冷臂(未加热臂)方向弯曲。通过选择加热臂,就可以控制结构的偏转方向,实现双向运动。若同时加热双臂,则结构不发生弯曲。通过有限元分析,其提供的位移量与单向横向执行器相当。

　　2　结构设计与分析

　　所设计的执行器包括两个平行相同的梁,如图1所示。典型执行器的尺寸,包括折叠柔性梁的宽度L_1w和长度_L1l;直柔性梁的宽度L_2w和长度L_2l;宽梁的宽度L_3w和长度L_3l;连接梁的宽度L_4w;宽梁之间的间距G;柔性梁之间的间距g,整个结构的厚度h为2μm。两个梁在自由端由连接梁连接,组成单层热执行器。折叠柔性梁和直柔性梁分别接电源的正负极,当电流通过上面梁时,由于宽梁比柔性梁宽很多,且电阻小,因此电流基本加热的是柔性梁,使之温度上升,产生热膨胀。上面的宽梁和下面的整个梁通过热传导获得热量,因此热膨胀较小,整个结构向下弯曲。相反,当电流通过下面梁时,整个结构向上弯曲,这样就可实现双向横向弯曲。由于传统冷热臂结构只能向一个方向运动,停止加热时,结构只能靠热传导和辐射散热,其复位速度慢,动态性能差。本结构可实现类似推挽运动,通过交替加热上下梁,使结构快速复位,提高了动态性能。

　　设计通过商业有限元软件来检验。结构采用多晶硅材料,在FEM模型中使用的材料特性如下:弹性模量E=150 GPa,热膨胀系数CTE=2.33×10^-6/K,热导率K _p= 30 W/m℃,电阻率ρ=11Ωμm。讨论了热执行器由于通过电流产生的温度分布和对应的弯曲形变所获得的执行器的特性。