基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器及其制备方法与流程

本发明涉及微机电系统（MEMS）技术领域中的微致动器类，特别涉及一种基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器及其制备方法。

背景技术：
微致动器是MEMS的致动部件，承担着能量转化、运动传递等重要作用，按能量来源分为电能、化学能、流体能和热能等致动方式。电能微致动器利用电荷作用力、磁场力产生致动，响应速度快、功耗低，但输出力小、所需电压高，如压电式、电磁式和静电式。静电致动器功耗低、工作频率高、可设计性好、可靠性高，但静电致动器工作电压高，输出力小，难与IC电压兼容。压电致动器利用压电材料的压电效应致动，具有响应速度快、能量密度高、位移输出稳定、无吸合效应、驱动电压小等优点，但制作工艺复杂、输出位移小。电磁致动器基于电磁作用产生驱动力，具有易与机构连接、可在恶劣环境下工作等优点，但发热量大、能耗高、工艺复杂、不易制造。电热致动器利用温度变化产生形变致动，输出位移和力大、操作电压小、与IC兼容，是现阶段MEMS可行的主要致动方式，受热膨胀伸长是较为常用的一种电热致动方式。按照运动方式，电热致动器可分为面内运动和面内运动。做面内运动的致动器主要用于产生直线运动或弧状运动，常见的V型微致动器可产生直线运动，U型冷热臂微致动器可产生弧状运动。2001年，LongQue等在Bent-beamelectrothermalactuators-PartI:Singlebeamandcascadeddevices(JournalofMicroelectromechanicalSystems,Vol.10,NO.2,June2001)中报道了一种基于多晶硅的V型电热微致动器，通过推拉式结构将V型电热微致动器产生的往复直线运动转变成齿轮的转动，该致动器结构简单，易于控制，能产生往复直线运动。1997年，Corntois等在Applicationsforsurface-micromachinedpolysiliconthermalactuatorsandarrays(SensorsandActuatorsA,Vol.58,NO.1,19-25)中报道了一种U型冷热臂微致动器，该类致动器由不同横截面的梁组成，能产生面内弧状运动。以上两类微致动器仅能产生直线运动或圆弧运动。张从春等人的发明专利“基于V+U型的柔性复合梁电热微驱动器”（专利号：ZL200910055966.4）将U型和V型微致动器结合起来，放大了致动器的输出位移，提高了输出力，但也仅能产生直线运动。为克服以上两类致动器仅输出单一运动的缺点，本发明提供了一种基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器，将V型微致动器的直线运动和U型微致动器的弧状运动综合输出，产生了基于直线运动和弧状运动的复合致动方式。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服传统V型微致动器和U型微致动器输出运动单一、简单的缺点，提供一种基于直线运动和弧状运动的复合运动微致动器及其制备方法，该微致动器结构简单、输出效率高。为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的任务在于建立一种与MEMS表面工艺兼容，能产生基于直线运动和弧状运动、结构简单、输出效率高的复合运动微致动器。根据上述发明思想，通过如下技术方案达到发明目的：一种基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器，包括：一个V型微致动器和一个U型冷热臂微致动器、一个V型微致动器的电极甲、一个U型冷热臂微致动器的电极乙和一个公共电极，其特征在于，所述U型冷热臂微致动器的一个热臂与V型微致动器的输出端相连，而其一个柔性臂通过一个斜梁与电极乙相连，V型微致动器的左端梁与电极甲相连，而其右端梁与公共电极相连。所述V型微致动器的数目可阵列2~5个。所述U型冷热臂微致动器可用双热臂U型微致动器。一种上述基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器的制备方法，其特征在于，采用MEMS表面工艺或体硅工艺制备，表面工艺制备时，在硅衬底平面上，有氮化硅绝缘层，氮化硅层上有固定的用作导线的多晶硅层Poly0，在Poly0上有由多晶硅层Poly1构成的电极座和V+U复合梁微致动器8，电极座、多晶硅层Poly2和金属层共同组成致动器的电极。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明将单个V型微致动器的直线运动和单个U型冷热臂微致动器的弧状运动结合起来，产生了较为复杂的复合致动方式，继承了电热致动器输出力大，操作电压小的优点，结构新颖独特，与MEMS工艺兼容，易于控制，输出效率高。附图说明图1是实施例一的结构示意图。图2是实施例二的结构示意图。图3是本发明的横截面图。具体实施方式本发明的优选实例结合附图详述如下：实施例一：参见图1，本基于电热驱动的V+U型复合梁微致动器，包括：一个V型微致动器（1）和一个U型冷热臂微致动器（2）、一个V型微致动器的电极甲（3）、一个U型冷热臂微致动器的电极乙（4）和一个公共电极（5），其特征在于，U型冷热臂微致动器的热臂（6）与V型微致动器（1）的输出端相连，柔性臂（7）通过斜梁与电极乙（4）相连，V型微致动器梁的左端与电极甲（3）相连，右端与公共电极（5）相连。实施例二：参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述V型微致动器的数目可阵列2~5个。所述U型冷热臂微致动器可用双热臂U型微致动器。实施例三：参见图3，上述V+U型复合梁微致动器的制备方法：所述致动器用MEMS表面工艺或体硅工艺制备，表面工艺制备时，在硅衬底平面上，有氮化硅绝缘层，氮化硅层上有固定的用作导线的多晶硅层Poly0，在Poly0上有由多晶硅层Poly1构成的电极座（9、10）和V+U复合梁微致动器8，电极座（9、10）、多晶硅层Poly2和金属层共同组成致动器的电极（3、4和5）。实施例四：本微致动器中，电极甲（3）用于给V型微致动器供电，电极乙（4）用于给U型冷热臂微致动器供电，电极（5）为公共电极。致动器的工作原理为：电极通电后，致动器中有电流通过，产生电阻热，V型微致动器的梁横截面相同，两端热膨胀量相等，产生直线运动，U型冷热臂微致动器的梁不等宽，窄梁产生的电阻热大于宽梁，导致窄梁热膨胀量大于宽梁，产生弧状运动。参看附图1，电极甲（3）和公共电极（5）通电后，V型微致动器中有电流通过，产生直线运动，推动U型冷热臂微致动器向前运动；接着电极乙（4）和公共电极（5）通电，U型冷热臂微致动器中有电流通过，产生弧状运动。本微致动器也可使电极甲（3）和公共电极（5）、电极乙（4）和公共电极（5）同时通电，V型微致动器和U型冷热臂微致动器同时受热，也能产生基于直线运动和弧状运动的复合致动。