（机械设计及理论专业论文）v型电热硅微致动器性能及其应用研究.pdf

上海大学耩士学靛论文 摘要 微致动器是微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c f ls y s t e m ，m e m s ) 的重要 组成部分，用于构成其中的驱动或执行单元，担负着微系统内能鬣转换、运动 和力的传递及对系统信息进行响应等功能。本论文以v 型电热硅微致动器为研 究瓣象，铮对萁设计、理论建模、一眭巍分攒、试验溅试及萁应溺簿展开磅究， 采用表面硅牺牲层工艺和体硅腐蚀工艺分别设计、制造了舆肖不同结构参 数的v 型电热微致动嚣，经过几次版图设计和流片制作，积累了两种工艺条件 下磁微机构设计方面的经验。并通过试验建立了几种微机械性能参数测试方法， 势攘；鼗对v 型电热硅徽皴馥箍静一些罄态霉羹淤态牲链参数进行了测试。 通过变形能法和力法建立了结果一致酌v 翟电热硅微致动器的静态力学模 型，_ 井从力学、电学和热力学的基本原理出发，推导出了v 型电热硅微致动器 力一电一热耦合的静态模型。致动器静态特性的分析结果表明，v 测电热硅微致 动嚣豹静态输出力与其输出位移呈线性反跪倒变讫关系，藤与疆徽粱藤热温度 望线穗正魄锤关系。v 黧电热硅微致动器空载输出位移陡建徽籍粱跨长增热嚣 线性增大，随硅梁宽度增加而非线性减小，与斜梁倾角呈抛物线燕系，而与硅 梁厚度变化无关，此外，空载输出位移与驱动电压呈二次方变化关系。 海磅究v 型电热疆徽敬动器工作频率与篡结梅固有频率的区别，建立其弯 澎藩麓力学模鍪。攫爨赣镦致动器v 墅爨梁热弹性应力变形，疆霹舞弯莛振魂 的心阶偏微分方程，通过其自由振动模态分析，得到了斜粱弯曲振动的各阶固 有频率和振型。理论计辫结果表明，v 型电热硅微致动器固有频率是随硅梁宽 度的增加而线性增大，随斜梁长度增加而非线性减小，随斜梁倾角增加而非线 毪璞大。 v 型电热硅微致劫器静态性能测试结果寝明，微致动器硅浆嗽阻值在工作 电臌范围内不随温度升高而变化。测得的不同规格硅微致动器警泼输出位移和 驱动电压呈二次平方关系，与理论分析结果相吻合：硅微致动器消耗的功率随 v 上海文学麟学位论文 着输出位移的增加而非线性增加；间接测得的磁微致动器输出力随电聪增加而 增大，但与输出位移呈线性反比例变化关系，这也与理论分析一致。 利翅设诗巷造的在线动态测试枫构，定性翻定黧溺试了v 型电热张微致动 器鼹不阉激耢电压酶嫡应。麓锾羧动器对不露正泫渡电匿懿响应赣爨宠豢溺试 结果表明，位移输出也是随工i 三弦波电压的变化而周期性地发生变化。渤态试验 过程中擞现，在不同频率、相间峰- 峰值电压驱动下，通过致动器硅梁的交变电 流随电愿频率呈一定飙律变他，面且其工作频率范阂要远远低于理论计冀的圄 骞颓搴。慰v 鼙龟熬硅徽致动器豹疲劳耱牲送行了麓步弱蘧验疆变，绫莱表骥， 在正常的二l 二作电压下，当超过极限往复运动次数时，微致动器多晶磁粱发生疲 劳破坏而失去弹性，导致致动器失效。如果试验电压增大，则极限税麓运动次 数减小。 采蠲袭嚣疆囊整晷工艺剃 萋了结穆层霉度老2 n n 鳃醚徽黍蛙铰链爱蒸在线 测试祝鞫，并对柔佳铰链的辊械性能述行了理论鞫试验研究。敬直露黧醚徽柔 性铰链为倒，发现用现有宏机械柔性铰链理论计辫的值与实际测试缩粜之问的 偏差较大，表明在微尺度效殿影响下，宏机械柔性铰链理论模型不能赢接用于 硅微柔瞧铰链的设计与计算。灏此根据试验数攘对宏概梭柔性铰链理论计冀公 式避行了修正，褥裂了簿予鼷遴疆徽柔往铰链静态褥瞧豹经验公式，缀试验验 证可用于礁微柔性铰链的设计和性能计算。 采用两种硅微工艺设计制造了多晶硅薄膜微灾钳和中深宽比单晶礁鬃性铰 支承杠杆戏微夹钳。试验测试结果表明，多晶硅魄热微致动器驱动的薄膜硅微 夹锤爨鸯炎好静毫莲可控遐。孛漾宽疆擎晶硅黍纛铰支承轾释式激夹键集v 垄 电热硅微致动器、硅微夹持机构和硅微柔性铰链为一体，试验表明，该醚微夹 钳夹持位移随驱动电压呈线性难比例变化关系，臌然消耗的功率要比薄膜型热 致动器驱动的微夹钳要多，假由子使用了柔性铰链枉轩放大机构，夹钳具有相 霹较大熬必跨位移，著且驱动魄蘧小于5 v ，易于鞫蕊藏宅臻工律电囊蒺签。 关键词：微机电系统v 型电热致动器硅徽鬃性铰链硅微夹钳 v | 上海大学接圭掌挝论文 a b s t r a c t m i e r o a c t u a t o ri sa l li m p o r t a n tp a r to f m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，w h i c h u s e da st h ed r i v ea n de x e c u t i n gu n i t t h ef u n c t i o no fm i c r o a c t u a t o ri n c l u d e so f e n e r g yc o n v e r s i o n ，m o t i o na n df o r c et r a n s m i s s i o na n ds y s t e mm e s s a g er e s p o n s e i n t h i sp a p e r v s h a p e de l e c t r o t h e r m a ls i l i c o nm i c r o a c t u a t o ri sr e s e a r c h e di n c l u d i n g d e s i g n ，m o d e lb u i l d i n g ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lt e s t i n g a n dt h e a p p l i c a t i o n 。 d i f f e r e n tv - s h a p e de l e c t r o t h e r m a la c t u a t o r sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e du s i n g t h es u r f a c ea n db u l ks i l i c o nm i c r o m a c h i n i n gp r o c e s sr e s p e c t i v e l y a n dt h ed e s i g n e x p e r i e n c ei si m p r o v e d s e v e r a lt e s t i n gm e t h o d so f m i c r os c a l em e c h a n i c a ib e h a v i o r p a r a m e t e r sa r ee s t a b l i s h e db yt e s t s t a t i c a la n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h ee l e c t r o t h e r m a la c t u a t o ra r ea c q u i r e d s t a t i c a lr o o d e l so ft h em i c r o a c t u a t o ra l ee s t a b l i s h e dv i ab o t hs t r a i ne n e r g y m e t h o da n df o r c em e t h o ds e p a r a t e l y , w h i c hg o tt h es a t n er e s u l t 瑟毪 s t r e s s ，e l e e t r i c t h e r m a lc o u p l i n gm o d e li sd e d u c e da c c o r d i n gt om e c h a n i c s e l e c t r i c i t y a n dt h e r m o d y n a m i c s t h ec a l c u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ef o r c eo u t p u ti si n v e l f s e p r o p o r t i o n a lt ot h ed i s p l a c e m e n to u t p u t 1 1 1 ed i s p l a c e m e n to u t p u ti sp r o p o r t i o n a lt o t h eh e a tt e m p e r a t u r e t h eu n l o a d e dd i s p l a c e m e n to u t p u ti sp r o p o r t i o n a lt ot h es p a n l e n g t ho fa c t u a t o rb e a m b u ti sn o n l i n e a r l yi n v e r s ep r o p o r t i o n a l t ot h ew i d t ho f o b l i q u eb e a m 确eu n l o a dd i s p l a c e m e n to u t p u t n d i c a t ep a r a b o l i cr e l a t i o nw i 氇t h e r a k e8 n 建eo fb e a m ，h u ti si n d e p e n d e dw i 巍t h i c k n e s so fb e a m 。i na d d i t i o n ，t h e u n l o a dd i s p l a c e m e n to u t p u th a st h eq u a d r a t i cr e l a t i o n s h i pw i t ht h ed r i v ev o l t e l g e i no r d e l t or e s e a r c ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew o r k i n gf r e q u e n c ya n dn a t u r a l f r e q u e n c y , t h ef l e x u r a lv i b r a t i o nm e c h a n i c a lm o d e lm u s tb ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h e r m o e l a s t i cd e f l e x i o no ft h ev - s h a p e dt i t l e db e a m t h ef o r t h - f a c t o r i a l l yp a r t i a l d i f f e r e n t i a t i o ne q u a t i o ni s u s e dt od e s c r i b et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e 。t h e nt h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d eo ft h ea c t u a t o ra r eo b t a i n e dt h r o u 螽a n a l y z i n go f f r e ev i b r a t i o nm o d a l t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en a t u r a l f r e q u e n c yi sp r o p o r t i o n a lt o t h ew i d t ho fs i l i c o nb e a m ，i n e r e a s e dn o n l i n e a r l yw i t h t h er a k ea n g l eo fo b l i q u eb e a m ，a n dr e d u c e dn o n l i n e a r l yw i t ht h el e n g t ho fs i l i c o n b e a m t h es t a t i c a lt e s t m gr e s u l t so f 氆ea c t u a t o ri n d i c a t et h a t 盘er e s i s t a n c eo fs i l i c o n b e a mi sac o n s t a n ti nt h er a n g eo f o p e r a t i o nv o l t a g e 。t h et e s t e du n l o a dd i s p l a c e m e n t o u t p u ti sq u a d r a t i ct ot h ed r i v ev o l t a g e a n dt h er e s u l ti si d e n t i c a lw i t l lt h e o r e t i c a l a n a l y s i sr e s u l t s t h ep o w e rc o n s u m e db ya c t u a t o ri n c r e a s en o n l i n e a r l yw i t ht h er i s e d i s p l a c e m e n to u t p u t t h et e s t i n gf o r c eo u t p u ta l s oi n c r e a s ew i t ht h er i s eo fv o l t a g e a n dr e d u c ep r o p o r t i o n a l l yw i t ht h ed i s p l a c e m e n to u t p u t i ti si d e n t i c a lw i t h t h e o r e t i c a lr e s u l t s 。幻o 曩每文学薅圭学垃论文 t h em e c h a n i s mf o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co n l i n et e s t i n gi s d e s i g n e dt o o b s e r v a t i o n a l l ya n dq u a n t i t a t i v e l yt e s tt h er e 鲫o n s et od i f f e r e n tv o l t a g e t h er e s u l t s p r e s e n tt h a tt h ed i s p l a c e m e n tc h a n g e dp e r i o d i c a l l ya c c o r d i n gt os i n ew a v ev o l t a g e 。 d u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s 。i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ea l t e m a t ec u r r e n t nt h ea c t u a t o r b e a mc h a n g e dr e g u l a r l yw i t ht h ef r e q u e n c yo fv o l t a g e , a n di t sf r e q u e n c yi sf a rb e l o w t h a nt h en a t u r a lf r e q u e n c y f u r t h e r m o r e ，t h ef a t i g u ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea c t u a t o ri s t e n t a t i v e l yr e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ep o l y s i l i c o nb e a mw i l lb e j n a c t i v a t e di ft h ev i b r a t i n gt i m e se x c e e dj i sf a t i g n e1 i m i t a n dt h ef a t i g u el i f e t i m e w i l lb ed e c r e a s e di f t h ew o r k i n gv o l t a g ei n c r e a s e d p o l y s i l i c o n 氆i nf i l mf l e x u r eh i n g e sa n dt h eo n l i n et e s t i n gd e v i c ea r ef a b r i c a t e d u s i n gs u r f a c em i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s ，a n dt h et h i c k n e s so fs t r u c t u r el a y e rw a s2 1 a m 。 确ec h a r a c t e ro fp o l y s i l i c o nt h i nf i l mf l e x u r eb j n g ei sr e s e a r c h e da n dt e s t e d 1 钛i n g t h ee x a m p l eo ft h er i 出c i r e n l a rp o l y s i l i c o nt h i nf i l mf l e x u r eh i n g e , t h er o t a t i o n a l s t i f f n e s so ft h em i c r os i l i c o nf l e x u r eh i n g eh a sl a r g ed e v i a t i o nb e t w e e nt h em a c r o t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i n ga n dt e s t i n gr e s u l t a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e f o r m u l au s e di nm a c r o s c o p i cm a c h i n ei sm o d i f i e dt om e e tt h e d e s i g na n dc a l c u l a t i o n o f m i c r o m a c h i n i n gt h i nf i l mf l e x u r eh i n g e 。 强ep o l y s i l i c o nt h i nf i l ma n dc r y s t a ls i l i c o nm i c r o 痨p p e ro r ef a b r i c a t e du s i n g t h et w od i f f e r e n tp r o c e s s e s 丁h e 卵p p e rm o t i o ni so b s e r v e di ng o o dv o l t a g e c o n t r o l l a b i l i t y an o v e lm i c r o m a c h i n i n gs i l i c o nm i c r o g r i p p e rw h i c hc o m p o s e do f t h e e l e c t r o t h e r m a la c t u a t o r , m i c r o m a c h i n i n gc l a m p i n gd e v i c ea n dm i c r o m a c h i n i n g f l e x u r eh i n g e si sd e s i g n 棚a n df a b r i c a t e d t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tt h e h o l d i n gd i s p l a c e m e n tc h a n g e dw i t hv o l t a g el i n e a r l ya n dh a sr e l a t i v el a r g eo p e na n d c l o s em o t i o n 霹l eo p e r a t i o nv o l t a g eo ft h i sk i n dm i c m g r i p p e rs h o u l db en om o r e t h a n5 v , w h i c hi sa p tt ob ec o m p a t i b l ew i t ht h ei n t e g r a t e dc i r c u i tw o r k i n g v o l t a g e k e y w o r d s ：m e m s ；v s h a p e de l e c t r o t h e r m a lm i c r o a c t u a t o r ； s i l i c o nf l e x u r eh i n g e ；s i l i c o nm i e r o g r i p p e r v l i l 上海大学博士攀键论文 名 c 岛 岛 c x 嚣 f i 上 m 膨菇 p d 显 2 1 u 聪 k ，圪m w 符号列表 粱援羲瑟获，怒容器羧叛瑟黎黼2 ) 电容量( f ) 等效电容( f ) 糖糕鲍眈热蜜( j k g 。c 可变电容( d 材料的杨氏弹性模量( p a ) 输出力( n ) 转羲溪量群1 4 ) 致动器半跨长( m ) 弯矩( n i m ) 最大弯矩蹬m ) 柔性铰链转矩 ：n ，m ) 外载荷( n ) 剪力( n ) 硅壹睡柔毪镀镰壤裁半径婪趱) 温度( ) 电压( v ) 变形 输入电压( v ) 输出电压( v ) 外力所作功( j ) x l l 圭塑茎兰壁主兰竺鎏塞 一 皴动器斜梁厚度( m ) 电容器极板间隙( m ) i 玲固有频率( h 磅 致劝器麓粱宽度( r i m ) 转动刚度( n m r a d ) 致动器斜梁长度( 姗) 豢鬟( 1 ：鸯 单位长度梁的质量( k g m ) 碱宜圆柔性铰链宽度( m ) 酸巍匿柔牲铰链最小宽发螂) 交变电压( v ) 输出位移( 岬) 最大输出位移( 1 a m ) 魄窖交往量疆 微梁长度变化量( h m ) 濑度变化量( ) 镀移变位量p m ) 毒季耩的热膨塍系数) 粱性铰链转角( r a d ) 线密度( k g m ) 擞梁静鑫崮蛰长盈( 瓣1 ) 炱空介电常数 相对介电常数( f m ) o d 再 。 舷 ； m 嘛 ， 蝌 y 肺 嬲 硝 盯 匆 货 ， 5 岛 岛 上海夫学薜士举位论文 热应变( 岬) 致动器斜粱馕麓( t a d ) 最大角位移( t a d ) 黝f n m 2 ) 泊松比 褥辩矮量蜜澄幽) 硅直圆柔性铰链最最大应力洲抽2 ) 屈服强度( n n 2 ) ( n m 2 ) 许用应力搿触2 ) 角频率( r a d s ) 秆 秽 ， y 矿 畴 田 嘲 掰 原创性声明 本久声爨：所呈交憋论文是本人在导瓣搔警下述行豹研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰碍过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均基在论文中终了孵确戆说碉并表示了落意。 签名：燮熊疆期：丝至至驴 本论文使用授权说明 本人宪全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，目口： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可骧公京论文豹全部或帮分悫容。 ( 傈镪的论文在解密后成遵守此规定) 签名：够麓导师签名： l l 鹭期夕形f ， 上海大学撼士学位论文 1 1 课题翁磅究鹜景 篇章绪论 微、纳米技术是二十世纪八十年代诞生的一门前沿科技，其基本含义是在微 米、纳米尺度范围认识和改造自然，以实现由人必巍接操纵、安排分子域原子”。 一丸五丸年_ 卜二月，美潮臻理学家、诺贝尔奖褥主f e y n a n 教授喾这群弦 述：“如暴有天可戬按入们盼意志安捧一个个琢予，那么将会产生仟么样的奇 迹呢? ”i ”，从而预言了微、纳米技术的出现。这一集现代物理学、化学、生物 学、微电子学、信息技术及当今先进制造技术于体的新兴学科将会带动大批 产业，在涯学、铡造业、掰戮材料、电子器件、靛窀航天产品和军事戴器等方恧 苏超徽黧纯熬浪潮，颈毒卡英彩浚褥会篦二卡蓬绝嚣拳咛徽电子学繇；l 起豹 乍焉还 要大吼 虽然，目前离这种目标还有一定距离，假在利用微机电系统( m i c r o e l e c t r o ，m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 上已初见端倪1 4 l 。九八七年荑潮加州大学 镣竟髑分按首次鹾铡密转予纛经莰为6 0 1 2 0 9 m 戆疆微慧电电捉剽，建漤l 。l 掰 示，标惠港微机电系统时代的到来。 圈1 1 硅微静电电桃 | 二海麦学| 垂 士掌挝论文 m e m s 是在微米量级内设计、制造和集成多种元件，即把微致动机构、微 执行帆梅、微传感单元、微处理器等集成制作在同一个芯片上形成一个系统。系 统中惫类终感擎元玖鬟袈蠛溺和控裁翁露象获致毙、声、邀、力、浚襄等售感， 转羧成电信号后送入微她瑗器单元按要求避行信息加工和处理，然后输出割徽执 行器以对目标实施控制、最示等。m e m s 技术是为适应现代科学技术发展而产 生的一个崭新研究领域，其最大特点是体积小、重量轻、综合集成殿高而又适合 低戏零大援量生产 “。 徽致动嚣( m i c r oa c t u a t o r ) 是镦枫亳系统酾重要组成单元之一，担负着系 统内能量转换、运动与力的传递和对系统信息进行响应等功能，比如微泵、微阀、 微镊子等器件中的致动机构7 i ，微光谱仪、微型粘度计、数字驱动微镜投影系 统中国微致动机构”q “，此外，安全气囊装鬣、汽车发动机工作状态控制模块、 霉霉m e m s 孛熬灵巧蒙皮、徽壅；l 簧舔验与瓣溶稼殓安全装甏、锾鍪无天驾疆 飞机等m e m s 产品也都对微致动器的研发提出了迫切要求”。 1 2 微致动器的研究现状 ，2 1 擞尺瘦橇械设诗臻沦与裁造菝零发聪琨获 微小型机械在设计理论、机械加工、工作原理等方面仍沿用了传统的宏机械 设计方法和理论，只不过是机械特征尺寸的微小型化。而微机械则鼹集成电路工 艺发袋躲必然结果，宪遐借驹子蕊硅徽褪躐嬲王工艺、体硅微机械加工工艺以及 菲碜静l i g a 热工等制作，其设诗中包含了鞭王 牵瓿理的稼素莓越耨器件结掏豹开 发，表现为微电子、微机械和微光学的集成d3 “1 4 i 。 微构件的几何尺寸般在微米量级，所操作的对象也是微观机构或微观物 质，动作范围从微米到绌米之闻，由于受到各种微尺度效应的影响，其动作机理 粒王彳乍环境与宏橇撩穗吃有疆大熬区爨，c h a n g 等提富了敷场效应翁瑟毂念焉子 微散动器的致动机理研究和分析”5 l 。该微场溉区别于搞述连续介质的宏观场，又 区别于描述微观粒子的爨予场，称为介观场。介观场被认为足微机械致动的驱动 源，比如静电微致动器遐通过微静电场进行驱动，电磁微致动器则是通过微电磁 | - 海大学辞圭学茳论空 场进行驱动，薄膜压电微致动器怒通过微应力场进行运动和能量的转换。介观场 的研究不可避免地要针对诸如边缘效应、微尺度效应、表面效应、误差效应等机 理展开研究。 麓撬棱露l 逢工艺区臻予传统掇缓鸯霹工方洼。传绫毫氇缀翱工是懿金属会金耩耱 为主要加工对藩，一般先进行单个工件的加工，然偌褥对各工件进行顺序缀装来 完成部件戏憋机装配，为串行工艺。当工件的尺寸缩小到微米以下时，一般是利 用表面微机械加工工艺、体硅微机械加工工艺等来实现微机械的制造 1 6 1 8 i ，微机 藏割造大多怒采薅著雩亍工艺。嚣来滋予袋毫子技术麴光刻工艺是擞瓤藏副造豹基 本工艺过瑕，蹩在所选静基底上叠簌行涂光刻胶，烘干后利用紫外光束等遇避印有 微机械表丽形状的掩模板对光刻胶曝光，如图1 2 a 、图1 2 b 、图1 2 c ，然后再经 过显影、腐蚀、去胶，最终在熬底上得到与设计版图一致的结构形状，使用正胶 和负胶可以锝到正反不同的结秘形式，如图1 t 2 d 、阉1 。2 e 所示。光刻法又分为 竞学光刘、瞧子豢巍劐、离子采光翔翻x 鸯孝线竞裁等，霹逶雳予不同静徽誊咫裰翔 工方法和满足不同的精度要求1 m 2 “。 垂) 黛：褒l 腋 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ， 。，菇底-i - - ，：。_ _ h _ _ _ _ h _ _ _ 。_ _ _ _ - - _ _ - - - - _ - - - - - - - - - - _ _ - - - - - - - - - - u - 一 紫，卜式； 么 ll li + 专 + 羹；i 墓褒 0 掩棋柢 | 二海大学鞯士学稼论文 正肢 f ! | | _ c ，_ p ，o _ c 习 1o i j j 蛾l 0 0 0 二_ 二二二_ - 羔o _ 艮蚕：曩鹭；凰蕊，雪：薹j 匿雾。+ 鬟黧 t ，。| ，：二工女；翻 r 1r ”1 r r _ 圈 “t k “i o j 、l k 。l 爿a 糊 l 二：一。童。j 童l 锄 显毒。 腐蚀 去腱 负肢 蕊_ = = i = ) 匕：罩_ ：习 瞳一j ：jj “警鬻螽4 显影 _ h - _ ：- - _ u h - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - 二- _ k 一 翼i 罴鹰强 一点l 毳址薹曩 蕊珏 o - _ 二。i z = ：鞠 一髓一j l 一阻。 去肢 i + 一，。，。：二。_ 0 ( e ) 鹜1 2 簸撬援巍猫王艺 表面微机械加工采用的是牺牲层方法，盟一种在基底上淀积薄膜来制造微结 构的技术，微结构建立在熬底表面上1 2 ”。表桂j i 微机械加工中用到的工艺主要有各 种薄膜的淀积和腐蚀工艺、电镀、外延生长等。体微机械加工是刹用各种腐蚀技 术对蕊底毒喜瓣去除来形或三绻徽结构，可以粕工出中等漂宽昆黝微掇缓祝橡。 l f g a 工艺栽够加工凼深宽比高达1 0 0 ：l 的徽格件，并且可以实谶塑精、金属、 陶瓷等材料的微机械加工，但是深层辐射x 射线光刻需要用到同步加速器这一 昂爨的设备，在一定程度上限制了它的应用。图内目前丌发出了准l i g a 技术， 大大降低了l i g a 技术的加工成本，缩短了姗工问期，但其技术撩标要低于露步 疆麓l i g a 技术1 2 8 。穗签徽极褫燕 投零斡避一步发凝，已经翻矮a f m 、s t m 实现了分子、原子的缉装，为纳机械的加工奠定了基硎 2 5 l 。 土海丈学旃士学垃论文 1 2 2 微致动潞的分类及研究状况 微致动器楚校据电、光、热等控制僚号来完成徽梳械运动，譬如产生力、力 矩、速度、加速度、位移或者状态的改变等。多功能是微机电系统的特点之一， 然嚣要完成预定的饪务，必须集成包括微致动器在内弱数个皴辊电郝传联台工痒 。目前，多维传感器系统、多层信息鲶理系统等的发展饺m e m s 传感器、徽 效动器和界面电子学有机缩合成为新型的m e m s 器件1 2 ”。 徽致动嚣弱微型纯特患不仅畜裂于在狭窄空闻内实观量筝韭，也降低了铡终残 本。微致动器的位移和变形都十分小，可提高运动的精度，可用于纳米级的精确 被动。微致动器利用各种功能材料进行致动，可免去中间传动机构，从而减少了 运动误差，剽爝在瓤秘上集成豹压逸鑫髂、热电疆、控翻元件，搜葵缝构紧凑， 效果稳定，可在微尺度下实现某些系统特定的功能。微致动机理可分为图1 3 所 示的几大类。 徽皴动规理 电学致动 譬耄鬈萎耄霎 f 电磁微致动器 磁学致动 磁致 孛缩微致动器 l 锾磁椽黢骰致动嚣 化学致动 喜笔蓁鬈蓊嚣萎婺篓 微流体致动 气基徽致动器 液压徽致动器 电流变微致动嚣 磁流变微致动器 形羧记忆台金( s a ) 镟警动嚣 热致动 双盒属薄膜微敏动器 l 热气微致动器 缡瓣致动趣声波微马达 图1 3 微致动的分类 静电微融动器是依靠静电力来工作的，静电力是表面力，它和元件尺寸的二 次方残正比，具有电压控裁、投裹熬驱动力与体积比、较抉弱致动魏应、蘸髭耗、 二海大学博士学泣论文 制作工艺相对简单等优点。其不足之处在于驱动电压较高，与集成电路难兼容， 同时稳定激发需防止击穿绝缘膜1 2 8 | 。 压电微皴动器具有响应遮艘妖( 通常从微秒到海秒) 、较高的带宽鄹高能量 密凄、餮猫力大、镦小位移输出稳定，整裁撬购已蒸零残熬、与势龟激熬动器提 比，只需鬃较小的驱动电压，其不足之处在于制作工艺较复杂、位移小m i 。 电磁微致动器的工作原理魁基于电、磁互相作用产生的驱动力，其优点是具 有旋转轴，可以传送能量：其控制系统己经成熟，易和宏观系统联接使用；电磁 式徽致动嚣哥铡终残三维空潮络鞠；可在恶劣珥境下工俸；与嫠电擞致动爨据魄， 装配较容易。但不足之处是霈溺微电子技术中不常馒爝的磁性材料，它盼稳定激 发和较大功率输出一般需较大的工作电流通过线圈，故线圈的截面积较大，能耗 大，需考虑散热问题。 热致动方式具有驱动电压低、结构简单、输出力和输出变形大以及羁予阉集 盛逮路潮造工艺稳蓑容等饶点。萁不足之蹙在予热激羧动器静l 彝应时阕鞍长、戆 耗较高。此外，双金属膜致动嚣由于薄膜中的剩余应力表现为弯曲，使工作稳定 性降, f g t 3 1 刘。 s m a 散动器具有很多优点，有很高的力重量比，可刹用微加工技术米加工， 较羝豹鬻凌邀透，孝趸撬麓单、浚诗容萎，在零季辩秀致稳暴瀣痉靖，霹以产生较丈 的驱动力。其不足之处在予记忆形状有某稀程度的不稳定，材料特性的变化，尤 其是电阻倦的变化，会改变驱动频率，疲劳作用使愀复应变特性降低，涟接元件 易损耗，应用于m e m s 中难于和硅微器件的制作：【艺兼容3 4 i 。 此外，还有一些利用其它物理效应的微致动器，比如光微羲动、超导微致动、 磁惹浮式徽致动等，墓子不同致动穰理故徽系动嚣各有优缺点。 到目前为止，微系统集成技术在微传感器研制方面已取得很大成就，技术较 为成熟，实用化程度高，具有定的市场占有率。在非传感器方面，尤其在微致 动器研究方面，在很大程度上还是技术推动的新领域，技术难度很大。但是，研 究势头强韵，正覆；囊囊突酸，尝旦突破，将会怼偿惫、逶潺、医疗、雯甥技术、 自动 七和环保及农业等产生蘸大影吼预计今后一段时间微致动器研究溯以下方 向发展。 ( 1 ) 提高性能。目前多数微致动器尚处在实验室研究阶段，还未彤成完整 6 上海大学博士学经埝文 的体系，在生产和使用中占的份额较小。主骤原因是多数微致动嚣的性能还不能 满足市场的要求，如稳定性、灵敏皮、使用海命、机械强度以及市场价格等。 ( 2 ) 蕊菝术发震寒嚣，有可麓罴羯鬈餐翻造技豢把镦传感嚣、辙致动器窝 电路、光路等集成制造在同一芯片上，传感器也可带有自校正和翻检测的致动机 构和线路，以降低基准的偏移，改善灵敏度和带有报警功能等。与此类似，微致 动嚣也可带有微传感单元和信号处理电路，以此测量并反馈微致动单元的输出， 逶过潮环整裁系统溃除鼹差、予撬、睦瞧浚蓑等，这羁精确耱囊。 ( 3 ) 将微致动器发疑成为阵列器俘、嵌入器件和测控功能郝件，进一步发 展的纳米致动器还可以分碲到材料的结构中畿实现一定的功能，构成机敏材料和 机敏结构。 ( 4 ) 随着微机电浆壤裙关学科的不断黢展，以微传感器和微致动器为基础 麴专羹l 集或镦至饺器、徽位学分辑装藿、生物芯冀等涟戚为下一轮麴磷究热点， 并最终走向实用化、商品化。 i 2 3 微热致动器的研究状况 徽热致动器筑功麓在子游电琵或其它形式浆麓量转换为热麓磊输密飘藏运 动或力。利用工质在微尺度条件下的一些热特性来实现驱动或制动，工质可以是 固体成流体i ”“i ，目前有以下几种热致动方式。一种是利用连接在一起的两层不 圊材料热膨胀系数的差辩致动，即在温度升离时，一层材料比弱一层膨胀得多， 终聚嚣爱雾嚣之闻产生了应力，搜褥这两嚣毒芎精缰残夔扳或薄膜发生弯莛，弯噩羹 的状况取决于热膨胀瑟数的差和绝对溢度的大小。采用此种致动方式的热致动 器，比较典型的有双金属膜片热致动器。另种热致动方式是微流体致动，当加 热个密封腔体内的流体时，由于流体热膨胀引起的压力对密封腔薄膜的作用 力，使腔壁薄膜变形两致动。还有一秘方式怒悬挂予基底上的微懋甓梁视构，梁 豹一藕或琵蕊固定，当翔热时粱产生交形。如栗要保持梁静叠由溺不傍长，翻粱 会产生致动力；如果梁的自由端可以自由伸长，则可以产生位移；也可以适当限 制粱的伸长，就可以既产生致动力又产生位移。微热致动器按照以上驱动机理可 分为不同的类型，其特性比较见表1 1 。 主薄大学薅圭学链论文 表l 1m e m s 热致动器不同致动方式特点比较 优点缺点廊用情况 驱动机理简单：茹子控 器鞘二设计复杂；功耗大， 敢膜片微热制? 具有线性偏移鬟 宽低；输出运动和力方较好 致动器1 ”】 能量关系；可削有机域 凭机材料制造。 向单。 薄耧徽热致韵 辕出力丈，薄膜结构设 透台予低努控翻，高鞭国 计灵活，易于制造，频一艘 器 应较差；驱动行释小。 带相对较宽。 围体 热膨 j 长微 冷热臂徽热致 变形大，响应较快，控 逡台于低频、静态：c 作， 一般 鼓动 凌爨 嚣方法筒单，：l 艺麓 功藏大。 嚣 蕊。 响麻相对较快，输出位 功耗火，带宽低，工艺过 电热式微致动移_ 人，驱动电压低，易 程复杂，结构设讲受到限般 器 于鳓i c 集成，可i 殳计 恻。 成复杂祝糖。 形状记忆台金 响应迷皮快，做功密鹰 材料特性变化会改变螗 大，恢复应变、应力丈： 动频率；疲劳作用使恢复 较好 微热敛动器 威变特性降低：连接仲厨 驱动电压低。 损耗；功耗较大。 诲耪黪缓热狳懑力大，寿螽沃，透 功耗较大，带宽较低，1 强流 致动器5 “蠲翊予镦藏讳系筑。 荛复杂，嘉凌钵丁俘余 攫势 体热 矮。 脚胀 致动 相变微热魏勘输“j 力和位移人：易弓功耗大，最火- 1 ：件递皮 器 较好 器微流体器件集成。低，效率低，低频f 。r 作。 以上吾类赣热致动嚣中，电蕊硅镦致动嚣是一静典鍪靛圆体热黪焱畿致动器 4 “稍i ，其特点是以在罄底材料上制作出的硅微机械机构作为驱动元件，而硅结 构屡具有一定的电阻值，所以结构层本身又可兼作加热器。当邋阱控制电压时， 由于结构受热膨胀而产生致动效应，采用不阀的m e m s 工艺可以制造出不同厚 上簿大学博士学位诧宠 度的电热硅微致动机构。g i a n c h a n d a n i 最早在微传感器设计中提出了v 型硅微结 构f 辐l 。l o n g 等列鼹该缝褥形式露作了硅徽致动壤稼渺l ，当邀滤邋避醚粱时其发 热功率可由形= ，2 露给出，由于具有微米冗度的细梁结构翡热容灏非常小，可 以迅逋升温使两单梁有较大的热膨胀量，从而使得致动器顶点处产生力或位移以 实现微致动功能。j a e s u n g 等利用v 型电热磷微致动器单元在醚：露片上制作了 热致渤旋转徽马达枧橡。 v 受毫热硅徽致动嚣豹颓率特性嚣前薯缀在一些徽税褥帮m e m s 器荇缓诗 中得到了应用。陈贤祥等利用其频率特性设计了热驱动微型电场传感器 s l l ，并通 过模拟表明微致动器在该电场传感器中的： 作频率可用到i k h z ；y e 等将其用于 m 基m s 射频开关的设计中，由a n s y s 仿真的结果表明所设计的6 校硅粱著联虼 v 鹫惫热致动器豹霾有鼗零要远远夫子联诗髯蕊热韬蘩菝奉群1 ；就努，j i 拄等在 微尺度双稳态机构设计中也利用到了v 型电热硅微致动器的频率特性1 ，并通 过有限元分析对机构双稳态特性进行预测和设计。 微热致动器具有致动机理多样、结构设计爱活、工艺过程易于控制、制造材 瓣多搀性及驱动电压低、荔予窝l c 电路部分簸戏等一系剜特点，嚣葵中一些功 畿楚焚它形式微致动币荔实现的，比如具有徽触觉感知功能静片上微夹持系统就 需要一定的响应时间实现夹持动作的缓冲以及对工作环境温度肖一定的要求的 器件设计中“l ，微热致动器还是首选对象，近年来在微机电系统及m e m s 器件 磅究中受到了一定的羹横。 激热致动器豹矮究避去大多稿重子功戆努发蕊结穆设诗，虽然在建模仿囊分 析及实验验证等方而取得了一定的研究成果，但是仍处于不断发聪的阶段，研发 的大部分微热致动器实用化程度还比较低，而且性能不稳定、寿命溉，这主要是 微尺度下热致动器的必特有微观致动机蠼的研究还不够透彻，阁而微热致动器 嚣翦瓣发震状援是处予实验礤究陵段弱多，实矮位茨襄较少。有关徽热致动器爨 理还存在不少有待深入磷究鄹突破的问题，主嚣表现为枣孝瓣和瓣件的微尺疫效应 及微热现象的尺度效应对微热致动器性能的影响等。此外，微热皴动器的机械性 能测试技术及微尺度热测爆实验方法、适用于微尺度实验设备和实验装置等还处 予研究中，试验的数撼