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

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

2、靜電驅動的MEMS微繼電器結構簡單，但是保持良好工作特性所需要的靜電驅動電壓一般在20-60V之間，最高達150V。以這樣高的電壓加在驅動機構很薄的介質層兩側，容易造成對電極之間絕緣層擊穿，此外長期使用還會導致電荷蓄積，這種現(xiàn)象已經逐漸被確認為靜電驅動MEMS器件壽命限制主要原因。電磁驅動的電壓可以達到很低水平，不存在高電場強度所造成的危害，但是它的結構復雜，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驅動機制中，電熱驅動的驅動電壓低而輸出力矩大，尺寸效應不太顯著，相同尺度下體積功率密度高等特點，但是電熱驅動的功耗較大。
　　 由于電磁力是由電磁場產生的體積力，能夠在較大的作用行程里產生較大的驅動力；同時，電熱驅動不僅具有較低的驅動電壓，而且具有較大的驅動力和驅動位移，雖然電熱驅動具有較低的響應速度，在一定程度上也存在著一定的散熱問題，但是僅利用電熱驅動的單向升溫過程和引入永磁雙穩(wěn)態(tài)鎖定結構，可

4、以大幅度的降低功耗，在斷開和閉合兩個狀態(tài)下實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)鎖定。由于電熱驅動和電磁驅動具有相互匹配的工作模式，因此，有望可以使用電熱驅動和磁致鎖定作為一個聯(lián)合驅動模式實現(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動機制和永磁鎖定實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)機制的雙向雙穩(wěn)態(tài)MEMS繼電器，能夠實現(xiàn)面外方向運動的雙向雙穩(wěn)態(tài)繼電功能。本論文將研究建立電熱驅動與永磁雙穩(wěn)態(tài)機制有機結合實現(xiàn)高效能雙穩(wěn)態(tài)熱驅動的設計和仿真優(yōu)化技術，完善設計方案，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，測試新設計的綜合性能，探索單向升溫過程熱驅動對提升微驅動器響應時間等關鍵技術參數(shù)的影響，全面評價新型熱驅動微繼電器的性能和潛力。
　　 本論文重點研究的內容及結論主要包括以下幾個方面：
　　 (1)新型電熱微驅動器的設計、仿真優(yōu)化、制備及性能測試。采用基于雙金屬片效應的雙層膜復合梁電熱微驅動器作為本論文中雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的驅動部分，在傳統(tǒng)艤層膜懸臂梁熱驅動器的基

6、礎上，提出并設計了內嵌式結構電熱微驅動器和三明治式多層膜結構電熱微驅動器，設計了一種以聚合物材料作為驅動層、金屬材料作為偏置層的結構，致熱電阻絲半嵌入或完全被包裹在聚合物驅動層內部，以充分實現(xiàn)致熱材料所產生的熱能被充分吸收利用；采用ANSYS和Matlab等分析軟件，對各種結構的電熱驅動器進行優(yōu)化仿真，以分析個結構參數(shù)對驅動性能的影響，獲得了三種結構電熱微驅動器的最佳驅動性能。
　　 (2)新型雙向雙穩(wěn)態(tài)機構系統(tǒng)的設計、優(yōu)化、制

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

8、材料表面微機械加工技術，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，解決了低應力低剛度懸臂梁的應力控制，疊層光刻膠犧牲層制備三維微結構中疊層光刻膠前/后烘工藝、平坦化、濕法刻蝕技術，以及適用于三維金屬微結構的低溫高效濕法釋放技術，為制備三維可動懸空金屬微結構打下了基礎。
　　 (4)器件的性能測試與單元結構表征。根據(jù)上述設計分析與集成制造技術，成功制備出了聚合物電熱微驅動器、扭梁/懸臂梁雙向雙穩(wěn)態(tài)機構以及集成式微繼電

9、器，并對其關鍵技術指標進行表征測試。結果表明，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，其響應時間約為22.5ms，在一個驅動脈沖周期下的功耗是60mW；該繼電器在開關狀態(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、等特點，而且永磁鎖定的設計使得微繼電器有效實現(xiàn)了斷