专利名称：V型梁复合材料电热微驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电热微驱动器，具体是一种V型梁复合材料电热微驱动器， 属于微机电系统技术领域。
背景技术：
微驱动器是微机电系统(MEMS)的核心。在驱动原理方面，随着器件尺寸的 减小，关键部件的比表面积的大幅度增加，因此除了考虑到传统的电磁驱动方式 外，宏观状态下常常忽略的力的作用也成为微观器件的主要驱动方式，如静电 力，电热力等；另外，与传统的器件不同的是，MEMS器件没有实际的弹簧结构， 其功能是通过MEMS器件中的柔质材料的悬臂梁来完成的，它不仅要协助驱动器来 完成对器件的驱动的动作，还要利用其内应力的作用来辅助驱动器来实现一些的 特定的功能，如自锁定功能等。到目前为止，在MEMS器件中具有代表性的是以静 电、压电、形状记忆合金、电热和电磁作为主要驱动方式的微型器件。以上各种 驱动方式各有优缺点，实际应用中考虑的一个重要因素是一种驱动方式能够产生 的作用力、位移大小及能耗等。电热驱动方式基于材料受热膨胀产生的驱动力来 实现驱动功能，具有驱动电压低、结构简单、驱动力和输出变形大以及易于同集 成电路制造工艺相兼容等优点。
传统电热微驱动器大多采用双金属膜结构，通过电加热使不同热膨胀系数的 双层薄膜因热膨胀程度不同而产生弯曲变形，构成驱动力。这类驱动器的位移不 是直线，而且是面外运动。同一平面内的类双金属结构虽然能产生平面的位移， 但是驱动力通常低于10uN，而且制造工艺复杂。
经对现有技术文献的检索发现，Long Que等人在J Microelectrothermal System, 2001， 10(2): 247-254 (微电热系统，2001年第10 (2)期)发表了 一篇题为"Bent—Beam Electrothermal Actuators"的文章，提出了一禾中弯曲梁 电热微驱动器设计，它能够产生平面的位移和较大的力，但是也有一些明显的缺 点。采用金属做结构材料，驱动电压过小，不利于系统集成，且电阻率与导线相近，有较大的能量损耗在传输上。采用多晶硅做结构材料，虽然驱动电压与集成 电路相配，能产生毫牛级的驱动力，但是驱动的位移很小，而且发热量很大，会 影响周围器件的正常工作。另外一个主要的缺点是，金属和多晶硅的热膨胀系数 小，在功率低的情况下难以实现大的平面位移。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种V型梁复合材料电热微驱动 器，以充分发挥电热微驱动器的驱动原理和集成制造的优势，降低驱动器功耗和 制造成本，提高器件集成制造的可能性，扩大电热微驱动器在开关类微器件中的 应用范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括聚合物、金属弹簧结构、导 电触点，聚合物完全包裹金属弹簧结构形成的V型悬臂梁，V型悬臂梁位于两个导 电触点上，作为整个驱动器的驱动部件。两个导电触点位于驱动器两端。
所述的金属弹簧结构，形状为矩形波形。
所述导电触点，其长度25 u m-100mra，宽度25 y m-100腿，厚度6um-12mm。 金属弹簧结构在电流流过时发热，热量均匀传递给聚合物包裹层，聚合物受 热膨胀驱动尖端移动。除了工作部分外，驱动器两端还添加了两个较大的导电触 点(触点尺寸范围为长度25um-100腿，宽度25um-100mm，厚度6um-12mm)，使 得驱动后，器件能够通过热传导散热，保证了器件的使用寿命，并由此实现悬空。 本发明借助聚合物包裹金属弹簧的复合结构，在保留了传统电热微驱动器驱动电 压小、驱动力大的优点的同时，实现了低功耗大位移，降低了制造成本。当悬臂 梁驱动前端导电触点接入外部电路时，便可作为微继电器或微机械开关使用。
本发明中金属结构是弹簧形的， 一方面减少了对梁的纵轴方向强度的影响， 另外一方面使得聚合物能够更快更均匀的受热，提高了器件的响应速度。为了减 少金属结构对悬臂梁纵向强度的影响，充分发挥聚合物热膨胀系数大的优点，并 增加金属结构和聚合物的接触面积，提高响应速度，要加长金属结构的径向长度。 本发明微驱动器的驱动部分由于运用了聚合物，热膨胀系数很大，可在较小升温 下实现较大位移；驱动部分中导线的横截面很小，从而加热电阻大为提高，能量 就更多地集中在微驱动器上而不是消耗在导线上，减少了传输损耗。由于器件的 主要组成部分是聚合物，热量的长期积聚就会使器件的寿命降低。所以除了工作 部分外，驱动器还添加了两个大面积的导电触点，驱动后，器件能够通过热传导散热，保证了器件的使用寿命。
本发明将聚合物与金属弹簧丝结合在一起，同时利用了聚合物的大膨胀系数 和金属弹簧丝通电发热的特点，在保留了传统电热微驱动器驱动电压小、驱动力 大的优点的同时，实现了低功耗大位移；同时由于结构材料为非硅材料，使得器 件制造成本大幅度降低。由此二点可大大提高电热驱动器作为微继电器或机械微 开关的可靠性和可行性。
图l为本发明结构立体示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明包括聚合物l、金属弹簧结构2、导电触点3，聚合物l 完全包裹金属弹簧结构2形成的V型悬臂梁，V型悬臂梁位于两个导电触点3上， 作为整个驱动器的驱动部件。两个导电触点3位于驱动器两端。
所述金属弹簧结构2，其横截面尺寸范围为lum -1.5ramXlnm -2mm，金属 结构的径向长度尺寸范围为12pm -lOmm，其结构为矩形波形。
所述V型悬臂梁的总宽度尺寸范围为16um-12mm，总长度尺寸范围为600 u m -lOOmm，总厚度尺寸范围为5ym-8ram，总悬空高度范围为1 U m -4mm。
所述两个导电触点3，其长度25um-100mm，宽度25um-100咖，厚度 6 ii m-12mm。
所述聚合物l，为热膨胀系数超过2X10—5且具有光敏感性，可在光作用下发 生反应的聚合物，具体可选取SU-8胶或聚酰亚胺等。 以下给出本发明具体的实施例的描述 实施例1:
在玻璃基片上溅射种子层，甩lym光刻胶并图形化，以此电镀金属Ni来作 出两个大触点及悬空所需的支架等，这些结构可为热驱动器工作时提供及时散热， 以免热量聚集而损坏器件。然后在此基础上再次溅射种子层，甩lum光刻胶并图 形化，电镀出长600um，横截面lumXlym，径向长度12 y m的金属Ni弹簧结 构。此弹簧结构为矩形波形，在通电生热膨胀后，可以比直线型金属结构有更大的伸长量，从而产生更大的驱动位移量；同时矩形波形弹簧结构也可使外层聚合 物受热更均匀。接着去胶，去种子层，旋涂5um厚的聚合物SU-8胶并图形化， 以制得长600um，宽度16um，厚度5 u m并悬空1 n m的聚合物包裹金属弹簧的 复合结构V字型悬臂梁。由于聚合物较大的热膨胀系数，聚合物包裹的结构可以 使得驱动位移再次加大。最后将所有剩余光刻胶和种子层去除并释放悬空结构。 至此本发明完成。 实施例2:
在玻璃基片上溅射种子层，甩4誦光刻胶并图形化，以此电镀金属Ni来作出 两个大触点及悬空所需的支架等，这些结构可为热驱动器工作时提供及时散热， 以免热量聚集而损坏器件。然后在此基础上再次溅射种子层，甩1.5mm光刻胶并 图形化，电镀出长IOO腿，横截面1. 5腿X2mm，径向长度IO咖的金属Ni弹簧结 构。此弹簧结构为矩形波形，在通电生热膨胀后，可以比直线型金属结构有更大 的伸长量，从而产生更大的驱动位移量；同时矩形波形弹簧结构也可使外层聚合 物受热更均匀。接着去胶，去种子层，旋涂8mm厚的聚合物SU-8胶并图形化，以 制得长IOO咖，宽度12mm，厚度8mm并悬空4mm的聚合物包裹金属弹簧的复合结 构V字型悬臂梁。由于聚合物较大的热膨胀系数，聚合物包裹的结构可以使得驱 动位移再次加大。最后将所有剩余光刻胶和种子层去除并释放悬空结构。至此本 发明完成。
金属弹簧结构2在电流流过时发热，热量均匀传递给聚合物1包裹层，聚合 物1受热膨胀驱动尖端移动。除了工作部分外，驱动器两端还添加了两个较大的 导电触点3，使得驱动后，器件能够通过热传导散热，保证了器件的使用寿命，并 由此实现悬空。
权利要求
1. 一种V型梁复合材料电热微驱动器，其特征在于包括聚合物、金属弹簧结构、导电触点，聚合物完全包裹金属弹簧结构形成的V型悬臂梁，V型悬臂梁位于两个导电触点上，两个导电触点位于驱动器两端；所述导电触点，其长度25μm-100mm，宽度25μm-100mm，厚度6μm-12mm。
2. 如权利要求1所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述金属 弹簧结构的横截面尺寸范围为lum -1.5腿Xlnm -2mm，径向长度尺寸范围为 12 u m _10腿。
3. 如权利要求1或2所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述 金属弹簧结构形状为矩形波形。
4. 如权利要求1所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述V型悬臂梁的总宽度尺寸范围为16 nm -12mm。
5. 如权利要求1或4所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述 V型悬臂梁的总长度尺寸范围为600 ixm -lOOram。
6. 如权利要求1或4所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述 V型悬臂梁的总厚度尺寸范围为5um-8ram。
7. 如权利要求1或4所述的V型梁复合材料电热微驱动器，其特征是所述 V型悬臂梁的总悬空高度范围为lym -4mra。
全文摘要
一种V型梁复合材料电热微驱动器，用于微机电系统技术领域。本发明包括包括聚合物、金属弹簧结构、导电触点，聚合物完全包裹金属弹簧结构形成的V型悬臂梁，V型悬臂梁位于两个导电触点上，两个导电触点位于驱动器两端。本发明借助聚合物包裹金属弹簧的复合结构，在保留了传统电热微驱动器驱动电压小、驱动力大的优点的同时，实现了低功耗大位移，降低了制造成本。当悬臂梁驱动前端导电触点接入外部电路时，便可作为微继电器或微机械开关使用。
文档编号H01L49/00GK101286714SQ20081003783
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者丁桂甫, 婧 陈 申请人:上海交通大学