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《上海交通大学》 2011年
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电热驱动的双向双稳态微继电器及其集成制造工艺研究

吴义伯  
【摘要】:近年来,随着微机电系统技术的不断发展,微继电器在自动控制、通讯系统、遥感探测等方面具有广泛的应用。MEMS继电器不仅克服了传统继电器的体积大、成本高及装配复杂等缺点,而且具有体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、可靠性好等优点,更重要的是其集成制造能力,大大地降低了制造成本。因此,设计并制备体积小、响应快、功耗低、可靠性高的MEMS继电器成为了必然趋势。 目前,基于静电、电磁、电热等多种驱动原理的MEMS继电器相继研制成功。静电驱动的MEMS微继电器结构简单,但是保持良好工作特性所需要的静电驱动电压一般在20-60V之间,最高达150V。以这样高的电压加在驱动机构很薄的介质层两侧,容易造成对电极之间绝缘层击穿,此外长期使用还会导致电荷蓄积,这种现象已经逐渐被确认为静电驱动MEMS器件寿命限制主要原因。电磁驱动的电压可以达到很低水平,不存在高电场强度所造成的危害,但是它的结构复杂,集成绕组线圈中通过的电流也比较大,平面绕组的电阻比传统绕组高很多,所以整体功耗比较大,散热困难。在各种MEMS驱动机制中,电热驱动的驱动电压低而输出力矩大,尺寸效应不太显著,相同尺度下体积功率密度高等特点,但是电热驱动的功耗较大。 由于电磁力是由电磁场产生的体积力,能够在较大的作用行程里产生较大的驱动力;同时,电热驱动不仅具有较低的驱动电压,而且具有较大的驱动力和驱动位移,虽然电热驱动具有较低的响应速度,在一定程度上也存在着一定的散热问题,但是仅利用电热驱动的单向升温过程和引入永磁双稳态锁定结构,可以大幅度的降低功耗,在断开和闭合两个状态下实现双稳态锁定。由于电热驱动和电磁驱动具有相互匹配的工作模式,因此,有望可以使用电热驱动和磁致锁定作为一个联合驱动模式实现双向双稳态微继电器。 因此,本论文提出了一种借助电热驱动机制和永磁锁定实现双稳态机制的双向双稳态MEMS继电器,能够实现面外方向运动的双向双稳态继电功能。本论文将研究建立电热驱动与永磁双稳态机制有机结合实现高效能双稳态热驱动的设计和仿真优化技术,完善设计方案,开发基于多元材料兼容的集成加工制造工艺,完成原型器件的加工制作,测试新设计的综合性能,探索单向升温过程热驱动对提升微驱动器响应时间等关键技术参数的影响,全面评价新型热驱动微继电器的性能和潜力。 本论文重点研究的内容及结论主要包括以下几个方面: (1)新型电热微驱动器的设计、仿真优化、制备及性能测试。采用基于双金属片效应的双层膜复合梁电热微驱动器作为本论文中双稳态微继电器的驱动部分,在传统双层膜悬臂梁热驱动器的基础上,提出并设计了内嵌式结构电热微驱动器和三明治式多层膜结构电热微驱动器,设计了一种以聚合物材料作为驱动层、金属材料作为偏置层的结构,致热电阻丝半嵌入或完全被包裹在聚合物驱动层内部,以充分实现致热材料所产生的热能被充分吸收利用;采用ANSYS和Matlab等分析软件,对各种结构的电热驱动器进行优化仿真,以分析个结构参数对驱动性能的影响,获得了三种结构电热微驱动器的最佳驱动性能。 (2)新型双向双稳态机构系统的设计、优化、制备及性能测试。为了满足双向双稳态微继电器的需要,提出并设计了具有双向双稳态的特性的跷跷板式扭梁/悬臂梁微力学机构,分别提出了三种带有十字形、圆环形、菱形支撑结构的扭梁/悬臂梁双稳态机构,并对扭梁、支撑梁、悬臂梁部分进行力学分析,利用ANSYS和Matlab等分析软件对各个参数进行优化分析,从而得到了最佳的结构参数。 (3)集成制造工艺研究。发展了一种用于三维悬空可动金属微结构的叠层集成制造技术,重点讨论了多元材料兼容的非硅材料表面微机械加工技术,开发了一套低成本、高刻蚀选择比的厚铜牺牲层湿法刻蚀工艺,解决了低应力低刚度悬臂梁的应力控制,叠层光刻胶牺牲层制备三维微结构中叠层光刻胶前/后烘工艺、平坦化、湿法刻蚀技术,以及适用于三维金属微结构的低温高效湿法释放技术,为制备三维可动悬空金属微结构打下了基础。 (4)器件的性能测试与单元结构表征。根据上述设计分析与集成制造技术,成功制备出了聚合物电热微驱动器、扭梁/悬臂梁双向双稳态机构以及集成式微继电器,并对其关键技术指标进行表征测试。结果表明,所制备的双向双稳态微继电器的整体尺寸为5.2mm×2.2mm×0.12mm,在脉冲电流为80mA、占空比为20ms:180ms的条件下,其响应时间约为22.5ms,在一个驱动脉冲周期下的功耗是60mW;该继电器在开关状态保持过程中的功耗为0mW。 综上所述,本论文所研制的双向双稳态MEMS继电器不仅具有集成化、体积小、快速响应、等特点,而且永磁锁定的设计使得微继电器有效实现了断/通电姿态保持,降低了器件的实际使用功耗。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM58

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