；在120°C条 件下烘干40min ;利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝通过湿法腐蚀掉；使用丙酮浸泡5min、乙 醇浸泡5min，并用水冲洗10遍去胶；去胶检查。
[0042] 第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部 的基底，保留梁的固定端下层底部的基底。步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护， 然后利用掩膜板曝光，使用乂0匕释放挖除厚度为100 μ m的硅；释放后，干法去胶，从而形成 梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。
[0043] 电热致动器的输出位移可随材料选择的不同，整体尺寸的变化而变化，所以可以 在MEMS系统整体设时针对需要灵活调整。
[0044] 此种电热致动器可以用于如微栗、微阀、微镊子等器件中的致动机构，微光谱仪、 微型粘度计、数字驱动微镜投影系统中的微致动机构。此外，在安全气囊装置、汽车发动机 工作状态控制模块、军事MEMS中的灵巧蒙皮、微型引信保险与解除保险安全装置、微型无 人驾驶飞机等MEMS产品中也有应用。
[0045] 电热致动器的工作过程如下：在平时状态下，即不上电的状态下，电热致动器不产 生变形，上电时，也避免了电压直接加载到热膨胀系数较大的金属层上产生大量热，从而使 其熔化。在工作状态时，对电热致动器施加电压，加热层铂处于通电状态，产生焦耳热，由于 上层和下层材料的热膨胀系数之差使整个结构因为焦耳热迅速响应，产生梁的悬臂端翘曲 变形，在致动器梁的悬臂端形成机械位移，完成致动器功能。
【主权项】
1. 一种MEMS电热致动器，其特征是：该电热致动器为悬臂梁，所述悬臂梁由焊盘（1) 和梁（2)构成，梁（2)有固定端和悬臂端，焊盘（1)位于梁固定端的两侧； 梁⑵为层次结构，梁⑵包括上层（7)、中层（5)、下层（3)、粘合层（4)和绝缘层（6)， 上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层（5)为加热层，粘合层（4)位于中层（5)与下 层⑶之间，在梁⑵的纵截面内中层（5)和粘合层⑷的形状均为"U"形，绝缘层（6)位 于中层（5)与下层（3)之间，且绝缘层（6)将中层（5)的上表面覆盖，在绝缘层（6)上嵌入 有两个电极，两个电极分别与加热层的"U"形上部两端侧面接触，且两个电极与上层（7)为 一体，梁固定端的下层底部为基底层。2. 按照权利要求1所述的一种MEMS电热致动器，其特征在于：所述上层（7)的材料为 铝，中层（5)的材料为铂，下层（3)的材料为二氧化硅，粘合层（4)的材料为钛，绝缘层（6) 的材料为铝，焊盘（1)和基底的材料均为硅。3. 按照权利要求2所述的一种MEMS电热致动器的制造工艺，其特征是：所述制造工艺 的具体步骤如下： 第一步：制备梁的下层（3)，即采用干法氧化法制备二氧化硅层， (1)硅片的干法氧化，采用一片晶向为100的P型硅片，且P型硅片厚度为505~ 545 μ m，对该P型硅片进行清洗，去掉其表面污染杂质和自然氧化层；将清洗后的P型硅片 放置在温度为1050°C的卧式加热炉管中，对硅片的一面进行厚度为15000Λ的氧化，即在P 型硅片上形成梁（2)的下层（3); 第二步：采用光刻剥离技术制备梁（2)的中层（5)和粘合层（4)， (1) 将带有二氧化硅层的硅片放置在180°烘箱中烘干90min，然后用六甲基二硅胺烷 做成膜处理，此过程持续lOmin ;然后在二氧化硅层表面上涂厚度为1. 5um的AZ5214光刻 胶，光刻胶采用正胶，将掩膜板I覆盖在光刻胶表面上，掩膜板I的透光区为"U"形，将涂有 光刻胶的硅片进行曝光，然后将其放入烘箱中，在温度为ll〇°C下进行烘烤2min ;之后再广 泛曝光15s ;将曝光后的硅片放入显影液中，显影时间为3~5min ;显影后将显影区残留的 光刻胶去除； (2) 使用电子束蒸发系统，在光刻后的P型硅片的二氧化硅层上蒸发厚度为ιοοΑ的 钛，然后在钛层上再蒸发厚度为2000Λ的铂，之后先将其放入丙酮中浸泡12小时以上，再 先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别浸泡半小时，去掉光刻胶； 第三步：制备梁2的绝缘层，并刻蚀出制动器悬臂梁形状， (1) 使用低温氧化物工艺模块，在300°C的温度条件下，将经过上述工艺的硅片上淀积 4000: A的二氧化硅，形成绝缘层； (2) 将经上述加工步骤后的硅片放置在180°C烘箱中，烘干90min，然后用六甲基二硅 胺烷做成膜处理，此过程持续lOmin ;硅片随工作台旋转，将9912光刻胶旋转涂抹于绝缘层 上，光刻胶厚度为1. 5um ;覆盖掩膜板II后进行曝光，掩膜板II的不透光区形状为长方形， 与梁的形状一致；再进行显影液显影；再将显影区残留的光刻胶去除；然后在120°C条件下 烘干40min，再进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二氧化硅刻蚀直至硅基底上，形成梁的 长方形；进行干法去胶，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去胶，使去胶完全； (3)使用掩膜板III，采用干法刻蚀方法，在梁的固定端的绝缘层上刻蚀2个通孔，这2个 孔通直至铂层的"U"形上部两端侧面；掩膜板III透光区为两个方孔，该两个方孔对应2个通 孔位置； 具体步骤为：将经上述加工步骤后的硅片放置在180°C烘箱中烘干90min，然后用六甲 基二硅胺烷做成膜处理，成膜处理过程的时间为lOmin，使用9920光刻胶在95°C旋转涂抹 于绝缘层上；利用掩膜板III进行曝光；在110°C条件下烘烤lmin ;利用显影液显影；将显影 区残留的光刻胶去除；在120°C条件下烘干40min ;进行干法刻蚀，将没有光刻胶保护的二 氧化硅刻蚀通孔，形成2个通孔；进行干法去胶lOmin，再分别浸泡丙酮、乙醇、等离子水去 胶，使去胶完全；使用100:1的氢氟酸溶液清洗； 第四步：制备梁⑵的上层（7)和焊盘（1)， 在硅片的绝缘层上面溅射厚度为13000Λ的铝，形成上层（7);将经上述加工步骤后的 硅片放置在95°C烘箱中，烘干90s ;将S9920光刻胶涂抹在铝层上，厚度为1. 8um ;利用掩膜 板IV进行曝光；在110°条件下烘烤lmin ;利用显影液显影35s ;将显影区残留的光刻胶去 除；再在120°条件下烘干40min ;利用腐蚀液将无光刻胶保护的铝湿法腐蚀掉；使用丙酮 浸泡5min、乙醇浸泡5min，并用水冲洗去胶； 第五步：制备致动器梁的固定端和悬臂端，采用释放工艺清掉梁悬臂端下层底部的基 底，保留梁的固定端下层底部的基底； 步骤如下：对不需要释放的位置涂光刻胶保护，然后利用掩膜板曝光，使用XeF2释放挖 除厚度为100 μm的硅；释放后，干法去胶，从而形成梁的悬臂端，完成电热致动器的制备。
【专利摘要】本发明涉及一种MEMS电热致动器及其制造工艺，解决了独立加工的问题，实现了工作电压小、变形大、功耗小和反应快。电热致动器为悬臂梁，梁(2)包括上层(7)、中层(5)、下层(3)、粘合层(4)和绝缘层(6)，上层材料和下层材料的热膨胀系数不同，中层(5)为加热层，粘合层(4)位于中层(5)与下层(3)之间，绝缘层(6)将中层(5)的上表面覆盖，在绝缘层(6)上嵌入有两个电极，两个电极分别与加热层的“U”形上部两端侧面接触，且两个电极与上层(7)为一体，梁固定端的下层底部为基底层。
【IPC分类】B81C1/00, B81B3/00
【公开号】CN105271099
【申请号】CN201510598708
【发明人】宋荣昌, 关平, 陈庆森, 申跃跃, 吕永佳
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年9月18日