電熱驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微繼電器及其集成制造工藝研究.pdf

1、近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，微繼電器在自動(dòng)控制、通訊系統(tǒng)、遙感探測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用。MEMS繼電器不僅克服了傳統(tǒng)繼電器的體積大、成本高及裝配復(fù)雜等缺點(diǎn)，而且具有體積小、重量輕、功耗低、響應(yīng)速度快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是其集成制造能力，大大地降低了制造成本。因此，設(shè)計(jì)并制備體積小、響應(yīng)快、功耗低、可靠性高的MEMS繼電器成為了必然趨勢(shì)。
　　 目前，基于靜電、電磁、電熱等多種驅(qū)動(dòng)原理的MEMS繼電器相繼研制成功。

2、靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS微繼電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是保持良好工作特性所需要的靜電驅(qū)動(dòng)電壓一般在20-60V之間，最高達(dá)150V。以這樣高的電壓加在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)很薄的介質(zhì)層兩側(cè)，容易造成對(duì)電極之間絕緣層擊穿，此外長期使用還會(huì)導(dǎo)致電荷蓄積，這種現(xiàn)象已經(jīng)逐漸被確認(rèn)為靜電驅(qū)動(dòng)MEMS器件壽命限制主要原因。電磁驅(qū)動(dòng)的電壓可以達(dá)到很低水平，不存在高電場(chǎng)強(qiáng)度所造成的危害，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成繞組線圈中通過的電流也比較大，平面繞組的電阻比傳統(tǒng)繞組高很多，所以整體功耗

3、比較大，散熱困難。在各種MEMS驅(qū)動(dòng)機(jī)制中，電熱驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓低而輸出力矩大，尺寸效應(yīng)不太顯著，相同尺度下體積功率密度高等特點(diǎn)，但是電熱驅(qū)動(dòng)的功耗較大。
　　 由于電磁力是由電磁場(chǎng)產(chǎn)生的體積力，能夠在較大的作用行程里產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力；同時(shí)，電熱驅(qū)動(dòng)不僅具有較低的驅(qū)動(dòng)電壓，而且具有較大的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移，雖然電熱驅(qū)動(dòng)具有較低的響應(yīng)速度，在一定程度上也存在著一定的散熱問題，但是僅利用電熱驅(qū)動(dòng)的單向升溫過程和引入永磁雙穩(wěn)態(tài)鎖定結(jié)構(gòu)，可

4、以大幅度的降低功耗，在斷開和閉合兩個(gè)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)鎖定。由于電熱驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)具有相互匹配的工作模式，因此，有望可以使用電熱驅(qū)動(dòng)和磁致鎖定作為一個(gè)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)雙向雙穩(wěn)態(tài)微繼電器。
　　 因此，本論文提出了一種借助電熱驅(qū)動(dòng)機(jī)制和永磁鎖定實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制的雙向雙穩(wěn)態(tài)MEMS繼電器，能夠?qū)崿F(xiàn)面外方向運(yùn)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)繼電功能。本論文將研究建立電熱驅(qū)動(dòng)與永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)高效能雙穩(wěn)態(tài)熱驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化技術(shù)，完善設(shè)計(jì)方案，開

5、發(fā)基于多元材料兼容的集成加工制造工藝，完成原型器件的加工制作，測(cè)試新設(shè)計(jì)的綜合性能，探索單向升溫過程熱驅(qū)動(dòng)對(duì)提升微驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的影響，全面評(píng)價(jià)新型熱驅(qū)動(dòng)微繼電器的性能和潛力。
　　 本論文重點(diǎn)研究的內(nèi)容及結(jié)論主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)新型電熱微驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、制備及性能測(cè)試。采用基于雙金屬片效應(yīng)的雙層膜復(fù)合梁電熱微驅(qū)動(dòng)器作為本論文中雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的驅(qū)動(dòng)部分，在傳統(tǒng)艤層膜懸臂梁熱驅(qū)動(dòng)器的基

6、礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器和三明治式多層膜結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一種以聚合物材料作為驅(qū)動(dòng)層、金屬材料作為偏置層的結(jié)構(gòu)，致熱電阻絲半嵌入或完全被包裹在聚合物驅(qū)動(dòng)層內(nèi)部，以充分實(shí)現(xiàn)致熱材料所產(chǎn)生的熱能被充分吸收利用；采用ANSYS和Matlab等分析軟件，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的電熱驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化仿真，以分析個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，獲得了三種結(jié)構(gòu)電熱微驅(qū)動(dòng)器的最佳驅(qū)動(dòng)性能。
　　 (2)新型雙向雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制

7、備及性能測(cè)試。為了滿足雙向雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的需要，提出并設(shè)計(jì)了具有雙向雙穩(wěn)態(tài)的特性的蹺蹺板式扭梁/懸臂梁微力學(xué)機(jī)構(gòu)，分別提出了三種帶有十字形、圓環(huán)形、菱形支撐結(jié)構(gòu)的扭梁/懸臂梁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，并對(duì)扭梁、支撐梁、懸臂梁部分進(jìn)行力學(xué)分析，利用ANSYS和Matlab等分析軟件對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，從而得到了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 (3)集成制造工藝研究。發(fā)展了一種用于三維懸空可動(dòng)金屬微結(jié)構(gòu)的疊層集成制造技術(shù)，重點(diǎn)討論了多元材料兼容的非硅

8、材料表面微機(jī)械加工技術(shù)，開發(fā)了一套低成本、高刻蝕選擇比的厚銅犧牲層濕法刻蝕工藝，解決了低應(yīng)力低剛度懸臂梁的應(yīng)力控制，疊層光刻膠犧牲層制備三維微結(jié)構(gòu)中疊層光刻膠前/后烘工藝、平坦化、濕法刻蝕技術(shù)，以及適用于三維金屬微結(jié)構(gòu)的低溫高效濕法釋放技術(shù)，為制備三維可動(dòng)懸空金屬微結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。
　　 (4)器件的性能測(cè)試與單元結(jié)構(gòu)表征。根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析與集成制造技術(shù)，成功制備出了聚合物電熱微驅(qū)動(dòng)器、扭梁/懸臂梁雙向雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)以及集成式微繼電

9、器，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行表征測(cè)試。結(jié)果表明，所制備的雙向雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的整體尺寸為5.2mm×2.2mm×0.12mm，在脈沖電流為80mA、占空比為20ms：180ms的條件下，其響應(yīng)時(shí)間約為22.5ms，在一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖周期下的功耗是60mW；該繼電器在開關(guān)狀態(tài)保持過程中的功耗為0mW。
　　 綜上所述，本論文所研制的雙向雙穩(wěn)態(tài)MEMS繼電器不僅具有集成化、體積小、快速響應(yīng)、等特點(diǎn)，而且永磁鎖定的設(shè)計(jì)使得微繼電器有效實(shí)現(xiàn)了斷