抑制位移输出端温升的电热微驱动器制造技术

本发明专利技术公开了一种抑制位移输出端温升的电热微驱动器，包括梭板梁，梭板梁两侧对称连接有驱动梁阵列，驱动梁阵列另一侧端面为锚点Ⅰ，锚点Ⅰ上沉积有驱动电极，所述梭板梁上沉积有梭板梁电极薄膜，梭板梁在水平方向上的长度大于或等于驱动梁阵列在水平方向上的长度的三分之一。所述梭板梁与位移输出终端之间设置有热阻，热阻为沿驱动位移方向的细长梁，热阻的末端两侧均连接有热沉，热沉外端连接有锚点Ⅱ，所述热沉为方波型或S型的柔性梁。与现有技术相比，本发明专利技术能够有效降低位移输出端的温升并在相同温升下增大电热驱动器的输出位移，在驱动器驱动方向刚度增幅很小的情况下使位移输出终端的温升很小。

Electrothermal Microactuator for Suppressing Temperature Rise at Displacement Output

The invention discloses an electrothermal micro-actuator for restraining temperature rise at the output end of displacement, which includes shuttle beam, two sides of the shuttle beam are symmetrically connected with a driving beam array, the other side of the driving beam array is anchor point I, and the driving electrode is deposited on the anchor point I. The shuttle beam is deposited with a shuttle plate beam electrode film, and the length of the shuttle beam in the horizontal direction is greater than or equal to that of the driving beam array in the horizontal direction. One third of the length in the direction. The shuttle plate beam and the displacement output terminal are provided with thermal resistance, which is a slender beam along the direction of driving displacement. The ends of the thermal resistance are connected with heat sinks on both sides, and the outer ends of the heat sinks are connected with anchor point II. The heat sinks are square wave or S-shaped flexible beams. Compared with the prior art, the present invention can effectively reduce the temperature rise of the displacement output terminal and increase the output displacement of the electrothermal actuator at the same temperature rise, so that the temperature rise of the displacement output terminal is very small when the stiffness increase of the driving direction of the actuator is very small.

【技术实现步骤摘要】
抑制位移输出端温升的电热微驱动器
本专利技术属于微机电系统中微驱动
，具体涉及一种针对V型与Z型电热驱动器的抑制位移输出端温升的电热微驱动器。
技术介绍
微电热驱动是利用焦耳热与热膨胀效应使驱动梁产生变形的位移型驱动，具有结构紧凑，驱动电压低，易于集成与输出力大的优点，是MEMS
中最常见的驱动方法之一。微电热驱动应用于微执行器/微机械开关/微纳力学测试等领域，能实现平面内运动的微电热驱动器有U型、V型与Z型电热驱动器，其中，U型电热驱动器利用冷热臂实现平面内的圆弧运动，而V型与Z型电热驱动器利用对称的结构形式实现平面内的直线运动。本专利技术针对V型与Z型电热驱动器。目前，对于V型与Z型电热驱动器，其梭板梁沿垂直于驱动器位移输出轴的方向上的长度远小于驱动梁阵列上沿着驱动梁从锚点Ⅰ内侧到梭板梁之间的长度，这类电热驱动器的设计主要集中在输出最大位移与负载能力的优化，而很少关注电热驱动器的温升限制要求。这类电热驱动器的缺点是其内部有大量热流，位移输出端的温升较高，由于被驱动试样直接与位移输出端相连，影响被驱动试样的温度，限制了电热驱动器在物性温度敏感的被驱动试样中的应用。为了减小电热驱动的位移输出端对被驱动试样的影响，目前主要方法是在电热驱动的位移输出端与被驱动试样之间设置热源隔离结构。已有的热源隔离方法有以下几种：一是采用侧壁覆有绝热层的热隔离槽，这种方式的工艺难度大，并且与片上驱动单元、检测单元的工艺兼容性不好；二是通过热沉结构加快散热，这种方式能较好的控制电热驱动的位移输出端到热沉到被驱动试样之间的温度场分布，缺点是热沉的存在降低了V型或Z型驱动梁的温度，降低了驱动位移并且增加了电热驱动器的整体刚度；三是同时采用热阻与热沉，这种方法的优势是在电热驱动器本身的热损失小，但是细而长的热沉增大了使用面积且增加了不稳定性。
技术实现思路
为解决现有的抑制位移输出端温升的方法的上述问题，本专利技术提供一种抑制位移输出端温升的电热微驱动器，能够优化微电热驱动器本身的温度场分布，使温升集中在决定输出位移大小的V型或Z型驱动梁中，而位移输出所在的梭板梁温升尽可能小，从而抑制电热微驱动器的位移输出端的温升；另外，在位移输出端与被驱动试样之间增设新型热阻，增大到被驱动试样的降温梯度。本专利技术的目的是以下述方式实现的：抑制位移输出端温升的电热微驱动器，包括梭板梁2，梭板梁2两侧对称连接有驱动梁阵列3，驱动梁阵列3另一侧端面为锚点Ⅰ4，锚点Ⅰ4上沉积有驱动电极5，所述梭板梁2上沉积有梭板梁电极1薄膜，梭板梁2沿垂直于驱动器位移输出轴的方向上的长度大于或等于驱动梁阵列3上沿着驱动梁从锚点Ⅰ4内侧到梭板梁2之间的长度的三分之一。。所述梭板梁2与位移输出终端之间设置有热阻Ⅰ10，热阻Ⅰ10为沿驱动位移方向的细长梁，热阻Ⅰ10的末端两侧均连接有热沉11，热沉11外端连接有锚点Ⅱ15，所述热沉11为方波型或S型的柔性梁。所述梭板梁2与位移输出终端之间设置有热阻Ⅱ12，热阻Ⅱ12为沿驱动位移方向的细长梁，热阻Ⅱ12的末端两侧均连接有热沉11，热沉11外端连接有锚点Ⅱ15，所述热沉11为方波型或S型的柔性梁；所述热阻Ⅱ12由结构层Ⅱ1201和绝热隔离槽1202组成，结构层Ⅱ1201和绝热隔离槽1202沿驱动位移方向间隔分布。所述梭板梁2下方设有热隔离梭板13，热隔离梭板13在驱动位移方向沿梭板梁2伸出，其伸出端连接热阻Ⅲ14，热阻Ⅲ14整体为沿驱动位移方向的细长梁，热阻Ⅲ14的末端两侧均连接有热沉11，热沉11外端连接有锚点Ⅱ15，所述热沉11为方波型或S型的柔性梁；所述热隔离梭板13的上层为电绝缘氧化隔离层Ⅱ1301，下层为基底层Ⅲ1302，所述热阻Ⅲ14包括至少两个结构层Ⅲ1401，相邻结构层Ⅲ1401之间承接有电绝缘氧化隔离层Ⅲ1402，电绝缘氧化隔离层Ⅲ1402的两端分别位于相邻结构层Ⅲ1401下方，所述电绝缘氧化隔离层Ⅲ1402的正下方紧贴有基底层Ⅱ1403。所述梭板梁2为两个，位于热隔离梭板13两侧且向两侧伸出，伸出端连接驱动梁阵列3。所述梭板梁电极1为一个。所述梭板梁电极1为两个，其中一个位于梭板梁2一侧，靠近同侧的驱动梁阵列3；另一个位于梭板梁2另一侧，靠近同侧的驱动梁阵列3。所述梭板梁2一侧的驱动梁阵列3中的驱动梁个数为奇数，其同侧的锚点Ⅰ4和驱动电极5均为一个。所述梭板梁2一侧的驱动梁阵列3中的驱动梁个数为偶数，其同侧的锚点Ⅰ4和驱动电极5均为一个或两个。相对于现有技术，本专利技术的优点如下：1.在梭板梁结构层的上表面沉积电极薄膜，由于电极薄膜的电阻率远小于结构层的电阻率，所以梭板梁处单位体积产生的焦耳热远小于驱动梁上单位体积产生的焦耳热，从而降低位移输出端的温升；2.设计微电热驱动器的梭板梁宽度较大，一方面通过梭板梁上表面传至周围空气或通过其下表面传至基底层的热量增加，加快散热，另一方面在梭板梁具有相同温升条件下，宽度较大的梭板梁组成的微电热驱动器的输出位移较大；3.在梭板梁与位移输出终端之间增设特殊结构的热阻与热沉，其作用是将焦耳热集中于电热驱动梁处，使相同驱动功率下电热驱动器的输出位移较大；热沉使位移输出终端的温升降为最小，并通过将热沉设为方波形或S形等形状，使由于热沉的存在而增加的驱动位移方向的刚度降为最小。综合来说，本专利技术能够降低梭板梁的温升并在相同温升下增大电热驱动器的输出位移，在驱动器驱动方向刚度增幅很小的情况下使位移输出终端的温升很小。附图说明图1是本专利技术实施例1的采用面微加工工艺的结构示意图。图2是图1的仰视图的剖视图。图3是本专利技术实施例1的采用体微加工工艺的剖视图。图4是本专利技术实施例2的结构示意图。图5是本专利技术实施例3的结构示意图。图6是本专利技术实施例4的结构示意图。图7是本专利技术实施例5的结构示意图。其中，1是梭板梁电极；2是梭板梁；3是驱动梁阵列；4是锚点Ⅰ；5是驱动电极；6是电极薄膜层；7是结构层Ⅰ；8是电绝缘氧化隔离层Ⅰ；9是基底层Ⅰ；10是热阻Ⅰ；11是热沉；12是热阻Ⅱ，1201是结构层Ⅱ，1202是绝热隔离槽；13是热隔离梭板，1301是电绝缘氧化隔离层Ⅱ，1302是基底层Ⅲ；14是热阻Ⅲ，1401是结构层Ⅲ，1402是电绝缘氧化隔离层Ⅲ，1403是基底层Ⅱ；15是锚点Ⅱ。具体实施方式实施例1如图1-3所示，抑制位移输出端温升的电热微驱动器，包括梭板梁2，梭板梁2两侧对称连接有驱动梁阵列3，驱动梁阵列3另一侧端面为锚点Ⅰ4，锚点Ⅰ4上沉积有驱动电极5，所述梭板梁2上沉积有梭板梁电极1薄膜，梭板梁2沿垂直于驱动器位移输出轴的方向上的长度大于或等于驱动梁阵列3上沿着驱动梁从锚点Ⅰ4内侧到梭板梁2之间的长度的三分之一。与现有技术中的梭板梁2的长度相比，本专利技术的梭板梁2的长度较大。本实施例1中驱动梁阵列3中驱动梁的个数为四个，其同侧的锚点Ⅰ4和驱动电极5均为一个。电热微驱动器整体由四层材料组成，由上而下分别是电极薄膜层6、结构层Ⅰ7、电绝缘氧化隔离层Ⅰ8和基底层Ⅰ9；由体微加工工艺制作完成的本实施例1的结构如图2，由面微加工工艺制作完成的本实施例1的结构如图3所示，结构层Ⅰ7按照功能用途分为位于中部的梭板梁2、位于两端的锚点Ⅰ4、梭板梁2两侧的驱动梁阵列3；电极薄膜层6按照是否引线分为两处：两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.抑制位移输出端温升的电热微驱动器，包括梭板梁（2），梭板梁（2）两侧对称连接有驱动梁阵列（3），驱动梁阵列（3）另一侧端面为锚点Ⅰ（4），锚点Ⅰ（4）上沉积有驱动电极（5），其特征在于：所述梭板梁（2）上沉积有梭板梁电极（1）薄膜，梭板梁（2）沿垂直于驱动器位移输出轴的方向上的长度大于或等于驱动梁阵列（3）上沿着驱动梁从锚点Ⅰ（4）内侧到梭板梁（2）之间的长度的三分之一。

【技术特征摘要】
1.抑制位移输出端温升的电热微驱动器，包括梭板梁（2），梭板梁（2）两侧对称连接有驱动梁阵列（3），驱动梁阵列（3）另一侧端面为锚点Ⅰ（4），锚点Ⅰ（4）上沉积有驱动电极（5），其特征在于：所述梭板梁（2）上沉积有梭板梁电极（1）薄膜，梭板梁（2）沿垂直于驱动器位移输出轴的方向上的长度大于或等于驱动梁阵列（3）上沿着驱动梁从锚点Ⅰ（4）内侧到梭板梁（2）之间的长度的三分之一。2.如权利要求1所述的抑制位移输出端温升的电热微驱动器，其特征在于：所述梭板梁（2）与位移输出终端之间设置有热阻Ⅰ（10），热阻Ⅰ（10）为沿驱动位移方向的细长梁，热阻Ⅰ（10）的末端两侧均连接有热沉（11），热沉（11）外端连接有锚点Ⅱ（15），所述热沉（11）为方波型或S型的柔性梁。3.如权利要求1所述的抑制位移输出端温升的电热微驱动器，其特征在于：所述梭板梁（2）与位移输出终端之间设置有热阻Ⅱ（12），热阻Ⅱ（12）为沿驱动位移方向的细长梁，热阻Ⅱ（12）的末端两侧均连接有热沉（11），热沉（11）外端连接有锚点Ⅱ（15），所述热沉（11）为方波型或S型的柔性梁；所述热阻Ⅱ（12）由结构层Ⅱ（1201）和绝热隔离槽（1202）组成，结构层Ⅱ（1201）和绝热隔离槽（1202）沿驱动位移方向间隔分布。4.如权利要求1所述的抑制位移输出端温升的电热微驱动器，其特征在于：所述梭板梁（2）下方设有热隔离梭板（13），热隔离梭板（13）在驱动位移方向沿梭板梁（2）伸出，其伸出端连接热阻Ⅲ（14），热阻Ⅲ（14）整体为沿驱动位移方向的细长梁，热阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张段芹，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41