具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器。采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计。利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性。提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能。结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93°C,并对微夹钳产生约2.5μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量。微驱动器仅消耗大约30.35mW的功率,钳口的平面外运动小于500nm。最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求。

微电热驱动器中偏置层的分析

设计了一种电热微驱动器,根据几何关系、泰勒公式和材料力学求得偏置层结构末端的位移公式,并验证了采用镍作为偏置层材料的合理性。通过Coventorware软件中的有限元模块进行仿真分析,得出施加驱动电压为5 V,响应时间为5ms,驱动器的初始温度为300 K时,得出偏置层宽度W1与驱动器位移d的曲线关系。通过验证驱动器的最大应力为235 MPa,小于镍的许用应力,确定驱动器在W1=20μm可以进行可靠的工作。分析偏置层厚度和宽度的加工误差对驱动器末端位移的影响,可得在对偏置层进行加工时要严格控制偏置层厚度H1的加工误差。

MEMS面内电热微驱动器中U型梁的分析

介绍了一种单刀双掷面内电热微驱动器。基于U型梁受热膨胀的原理,在电压作用下梁受热变形,推动接触电极和信号电极接触,进而输出信号。分别采用金属镍和氮化硅作为驱动器主体结构和隔离部分的结构材料。利用Coventorware软件对驱动器中U型折叠梁进行有限元仿真,得出折叠梁在温度为300 K、电压为3 V、热臂宽度为2μm时,冷臂宽度和驱动位移、驱动力之间的曲线关系图,进而确定冷臂的宽度为20μm。此时梁的位移为22μm,固定端受力为180 N。最后进行应力校核,梁的最大应力为120 MPa,小于镍的许用应力,具有较高的可靠性。

电化学沉积Cu牺牲层工艺用于制备面外运动电热微驱动器

用电化学沉积Cu作为牺牲层制备面外运动电热微驱动器的悬空结构,并建立了一种简单、可靠的牺牲层工艺技术。该工艺具有工艺流程简单、牺牲层易获取、释放简单、腐蚀选择性好、结构保存完整等优点。通过退火去除残余应力、使用丙酮和F113进行悬空结构释放等方法改进工艺,可以得到理想的器件。证明电化学沉积Cu是比较好的制备悬空结构的牺牲层工艺。

一种非硅微加工技术制作的电热微驱动器

介绍了一种由非硅微加工技术制作的电热微驱动器。基于双金属效应,采用聚合物SU—8胶和金属镍作为功能材料和结构材料,铜为牺牲层材料制作电热微驱动器。利用ANSYS有限元分析软件进行仿真,模拟驱动位移随加热时间的变化关系,并由此得出驱动力的大小,比较结果后确定结构参数。再通过光刻、掩模电镀和牺牲层刻蚀等工艺,加工制作出了电热微驱动器样品,并对样品进行了观测和分析。

新型复合结构电热微驱动器的研制

在弯曲梁电热微驱动器原理的基础上,通过引入热膨胀系数更大的聚合物,提出了一种新型复合结构电热微驱动器。采用了ANSYS有限元分析软件,对其基本结构形式进行了系统的仿真分析,得到了一组初步优化的器件结构参数。仿真结果表明:新型电热微驱动器有更低的能耗和更大的位移。采用非硅表面微加工技术,成功制备了新型复合结构电热微驱动器。

Su-8胶-金属复合材料电热微驱动器

针对以金属嵌入式Su-8光刻胶作为新型弯曲梁式微驱动器结构材料的特点,在仿真分析过程中,考虑了狭小空气间隙中热传导机制的影响。分析结果表明,器件的工作电压随着悬空高度的增加而降低;当悬空高度达到270μm时,可忽略热传导机制。在微加工工艺流程中,引入新的牺牲层材料,显著提升了工艺流程的兼容性和加工效果的稳定性。在此基础上研制的新型电热微驱动器实测位移由11.5μm增大至13.9μm,这一结果与传统多晶硅材料弯曲梁式微驱动器的驱动位移5μm相比有显著提高,而能耗亦从180mW降至21.6mW,器件性能得到改善。

MEMS电热驱动器的设计与分析

该文介绍了一种双层膜的电热微驱动器。根据高等数学和材料力学可求得偏置层结构末端的位移公式,进而验证了采用镍作为偏置层材料的合理性。利用CoventorWare软件对驱动器进行有限元仿真,得出偏置层在温度为300K、电压为5V、响应时间为5ms时,偏置层厚度H1与驱动器位移d的曲线关系图,驱动层厚度H2与d的曲线关系图以及驱动层厚度与驱动器左侧固定端应力的曲线图,从而确定H2=8μm。通过验证驱动器的最大应力为130MPa,小于镍的许用应力,确定驱动器在H2=8μm可以进行可靠的工作。分析驱动层厚度和偏置层厚度的加工误差对驱动器末端位移的影响,可得在对偏置层进行加工时要严格控制H1的加工误差。对驱动器进行了模态分析和抗过载分析,电热驱动器的工作频率范围在821.011Hz以内,且具有抗击8 000 g(g=10m/s2)冲击加速度的能力。

基于刚度矩阵法的V型电热微驱动器模型与性能分析

采用单元刚度矩阵法推导并建立V型电热微驱动器的静态力学模型,获得电热微驱动器的输出位移随温度载荷与外力载荷变化的关系表达式。根据此模型,电热微驱动器的输出位移随着温度载荷、梁的长度、宽度的增大均呈现单调上升趋势,而随着负载力的增大单调减小;输出位移随着V型梁的倾斜角的增大先是增大随后减小,并且当倾斜角较大时,微驱动器本身的刚度较大,但输出位移较小;最后采用有限元仿真验证了此模型的有效性,并提出在一定温度载荷与外力载荷作用下V型电热微驱动器预期输出最大位移的优化设计方案。

电热微驱动器的热管理设计及温度场建模分析

在传统V型电热微驱动器的基础上提出热管理设计,使焦耳热集中在V型驱动梁上,并增设热阻和热沉有效阻止热流流入执行末端。采用集总参数法建立真空环境中稳态热路模型,快速获取关键点温升与理想最大温升的关系。通过有限元仿真验证温度场模型的准确性,分析表明热管理下的电热微驱动器不仅能够抑制末端温升而且能够提高驱动部分温升与输出位移的稳定性。

RF MEMS switches based on thermal actuator

A new switching circuit is presented for the application in the frequency range of 0 to 8 GHz. This switch is electro-thermally actuated and exhibits high radio frequency （RF） performance due to its lateral contact mechanism, It composes of electroplated nickel and silicon nitride as structural materials. The isolation between bias and signal ports is realized by using silicon nitride. In the case of a small deformation, the relation between the displacement of the vertex and the pre-bending angle is analyzed. The metal contact is realized by in-plane motion and sidewall connection. The switches were fabricated using the MetalMUMPs process from MEMSCAP. The RF testing results show that the switch has a low insertion loss of 0. 9 dB at 8 GHz and a high isolation of 30 dB below 8 GHz.

自锁型2×2和1×4光开关

自锁型2×2和1×4光开关是在{100}硅基片上采用各向异性湿刻蚀工艺技术在KOH中制备的微机械光开关。这种制备方法可以低成本一次投料就能获得大量适合光纤对准、具有很高精度的微机械。本光开关包括两个硅热驱动器:一个驱动并联U形悬臂梁产生光纤侧向移动,另一个驱动夹持光纤用的H形扣子平台;通过薄的有弹性的硅臂把U形悬臂梁与刚性的能抗光纤角位移的平台连接起来。所制备的光开关具有产率高、机械稳定性好和优良的光学性能。采用标准单模光纤的光开关其串话小于-60dB。1×4和2×2光开关插入损耗分别为小于1 dB和近1 dB。在开关期间(<300 ms),2×2、1×4光开关所需驱动功率分别为<0.6 W和1.0 W。1×2光开关已做了寿命试验,无误工作循环大于106次,并且在室温下经一年多的工作,没有看到光学性能和开关行为的退化。