一种非硅微加工技术制作的电热微驱动器

　　0　引　言

　　微驱动器广泛应用于开关、扫描仪和显影仪等电子产品中,其需求量也在不断增长,因此,有必要继续研究多种类型的微驱动器以满足应用需要。微驱动器可采用多种方式驱动,如,静电式、压电式、电磁式和电热式等。其中,电热驱动器具有驱动电压小,驱动力大和制作工艺相对简单的特点[1],是微驱动器研究的一个热门。常见的有双层膜结构的电热微驱动器,它由2种热膨胀系数不同的材料构成,利用每层的热膨胀程度不同而产生弯曲导致面外位移[2]。最常见的例子是金属和氮化硅、多晶硅或二氧化硅等材料构成的双层膜悬臂梁结构[3]。这种设计结构的驱动位移不大,而且,通常采用体硅加工工艺,对工艺条件提出较高要求。为此提出通过非硅微加工技术,在聚合物SU—8中嵌入金属镍电阻丝结构制作电热微驱动器,希望实现大的驱动位移。

　　SU—8胶热膨胀系数和杨氏模量比较大,可以用作功能材料和微结构材料[4]。SU—8胶只需曝光显影等工艺即可实现铸模,处理过后化学性质稳定。Lau G K等人[5]曾报道使用SU—8胶、铝和硅成功制作热微驱动器。由于该热微驱动器的热源间接对SU—8加热,导致热能利用率低,驱动臂横向刚度过大导致末端的位移比较小,响应速度慢。为克服以上缺点,需要对驱动臂结构做了改进,本文介绍的电热微驱动器把热源即电阻丝嵌入聚合物中直接对其加热,从而提高了热效率和响应速度。镍作为电阻丝材料,和SU—8胶之间的结合力强,保证了金属和聚合物之间的良好热传导。

　　1　结构仿真

　　1.1　工作原理与结构设计

　　本文介绍的电热微驱动器利用双金属效应产生横向的弯曲[6]。具体结构如图1(a)所示,悬臂梁的主体由SU—8胶构成,悬臂梁的一面嵌入栅状排布的电阻丝,形式上可以看作两层膜结构,一层膜为SU—8胶,另一层膜为SU—8和镍复合结构,两层膜中的SU—8胶可由一次涂胶图形化塑模,避免了分别制作的两层膜界面处结合不良的问题。如图1(b)所示,电极上加载电压后,电阻丝产生热量,悬臂梁受热膨胀实现形变.

　　电阻丝的设计参数由工艺条件和驱动功耗来确定。电阻丝的材料为镍,呈栅状等间距的排布,模型见图2。集成电路承载电流为100mA,驱动电压取为1V时,设计的电阻丝条宽和间距为15μm,厚度为3μm,此时的功耗约为80mW。

　　1.2　ANSYS仿真

　　ANSYS仿真计算了SU—8胶的厚度(不含SU—8胶与镍电阻丝复合的部分)为6~11μm,外加驱动电压为1V持续10ms的过程中长度为825μm的悬臂梁末端位移变化。在仿真中假定: 1)热传递只包括传导和对流,常温环境忽略热辐射; 2)空气温度为20℃; 3)材料的性质不随温度变化.