微電熱驅動器中偏置層的分析*

鄧炬鋒，史春景，郝永平，王鎖成

（沈陽理工大學CAD/CAM技術研究與開發中心，沈陽110159）

微電熱驅動器中偏置層的分析*

鄧炬鋒，史春景*，郝永平，王鎖成

（沈陽理工大學CAD/CAM技術研究與開發中心，沈陽110159）

設計了一種電熱微驅動器，根據幾何關系、泰勒公式和材料力學求得偏置層結構末端的位移公式，并驗證了采用鎳作為偏置層材料的合理性。通過Coventorware軟件中的有限元模塊進行仿真分析，得出施加驅動電壓為5 V，響應時間為5 ms，驅動器的初始溫度為300 K時，得出偏置層寬度W1與驅動器位移d的曲線關系。通過驗證驅動器的最大應力為235 MPa，小于鎳的許用應力，確定驅動器在W1=20 μm可以進行可靠的工作。分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅動器末端位移的影響，可得在對偏置層進行加工時要嚴格控制偏置層厚度H1的加工誤差。

電熱微驅動器；位移公式；Coventorware；偏置層；應力；加工誤差

目前國內外微驅動器的研究和應用，較多的集中在靜電驅動［1］、電磁驅動［2］等，而電熱驅動相對較少。電熱驅動器應用仍不成熟，大多局限在實驗室中的仿真［3-6］。目前，數值仿真已在MEMS電熱器件的性能預測及優化設計方面發揮了重要的作用［7-8］，但是缺少必要的理論公式。電熱驅動具有驅動電壓低、驅動位移大、制備工藝簡單且成本低廉的特點，是一種適合微執行器的驅動機制。本文介紹一種雙層膜懸臂梁開關結構，對驅動器偏置層的分析。這不僅為以后電熱控制理論的研究和應用提供參考依據，同時也為電熱驅動在引信方面的應用奠定了一定的基礎。

1 微驅動器工作原理

本文設計的電熱微驅動器，該驅動器為等效的雙層膜結構，結構如圖1所示。左端為錨區固定端，綠色的質量塊為基座，紫色部分為偏置層，上面的紅色部分為驅動層，驅動層之間所夾的結構為發熱電阻絲層。當給電阻絲施加電壓時，電阻絲截面因有電流通過而產生焦耳熱Q，通過熱傳導，熱量會從發熱層逐漸傳遞給驅動層和偏置層，由于偏置層材料的熱膨脹系數遠小于驅動層，所以驅動層產生較大變形，向下擠壓偏置層，使結構整體發生面外運動，偏置層與基座接觸，驅動器閉合，后續的檢測電路接通，向后續的發火電路傳遞發火信號，驅動器動作完成。

圖1 驅動器的結構圖

2 電熱微驅動器偏置層材料的選用

雙層膜的初始長度相同用L表示，楊氏模量、寬度和厚度分別用Ei、Wi和Hi（i=1或2）表示，溫度變化量為ΔT，α1、α2分別表示兩種材料的熱膨脹系數且α1＜α2。偏置層與基座的距離為H3。根據幾何關系、泰勒公式和材料力［9］學可以求得偏置層結構末端的位移d：

其中：

式中：

利用CoventorWare軟件對微驅動器進行電熱分析，給電阻絲伸出端施加5 V的電壓，響應時間為5 ms，驅動器的初始溫度為300 K加到400 K，結構參數為H1=5 μm，H2=10 μm，L=780 μm，W1=W2= 250 μm，得出：在5 ms時的溫度云圖，如圖2所示。在400 K時的位移云圖，如圖3所示。由圖3可見驅動器的末端位移值為18 μm，偏置層與基座閉合。而式（1）求得d=18.02 μm。由此可得，式（1）的誤差是0.16%，故驗證了式（1）的合理性。

圖2 5 ms時的溫度云圖

圖3 溫度400 K時位移云圖

選擇合適的材料，對于驅動器的運動起著至關重要的作用［10］。不同材料的各項物理性質如表1所示［11］。

表1 材料的物理性質

通過對SU-8膠特點的分析［12］，選用SU-8膠作為驅動層。鎳、多晶硅、銅分別作為偏置層時，由表1中各材料的性質可分別計算驅動位移d1，d2，d3的比值關系：d1/d2=0.3，d1/d3=3.6。即在其他條件不變的情況下，多晶硅產生的位移最大，其次為鎳，最小為銅。但是主要從加工成本考慮，選擇鎳作為偏置層材料。

3 偏置層寬度的分析

利用CoventorWare軟件對微驅動器進行電熱分析，給電阻絲伸出端施加5 V電壓，響應時間為5 ms，驅動器的初始溫度為300 K，E1=210 GPa，E2= 4.4 GPa，L=780 μm，W2=250 μm，H1=5 μm，H2= 10 μm，α1=12.7×10-6K，α2=151×10-6K，得出偏置層寬度W1與驅動器位移d的曲線關系，偏置層寬度與驅動器左側固定端應力的曲線圖，分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 偏置層寬度與驅動器位移的曲線圖

圖5 偏置層寬度與驅動器左側固定端應力的曲線圖

通過圖4可以看出，隨著偏置層寬度的增加，驅動器位移先增加后減小，在W1=20 μm時達到峰值；由圖5可以看出隨著寬度的不斷增加，驅動器左側固定端應力在不斷減小。綜合以上可知，偏置層寬度為W1=20 μm時，驅動位移最大為28.05 μm。因此，為提高驅動器的驅動特性，確定偏置層寬度為20 μm。由圖6可知，驅動器最大應力在錨區固定端處，只要滿足這部分應力小于鎳的許用應力，驅動器就不會失效，就能夠保證器件可靠的工作。

圖6 驅動器應力變化

鎳材料的許用應力為：

4 偏置層厚度的分析

利用CoventorWare軟件和式（1），分析偏置層厚度H1和偏置層寬度對驅動器位移d的影響，分析結果如圖7和圖8所示。

圖7 驅動器偏置層厚度對驅動器位移的影響

圖8 驅動器偏置層寬度對驅動器位移的影響

由圖7可見，隨著偏置層厚度的增加，驅動器位移在減小。由圖8可見，隨著偏置層寬度的增加，驅動器位移先增大，增大到一定值后又逐漸減小。通過圖7和圖8說明式（1）的合理性，同時也說明驅動器偏置層厚度和寬度對驅動特性的影響。由于對器件加工時不可避免的出現加工誤差，故分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅動器末端位移的影響。考慮H1、W1的數值在-2 μm～+10 μm變化時，對驅動器位移的影響。

由圖4、圖7和表2可知，H1數值在-2 μm～+10 μm變化時所引起的相對誤差為28%～74.3%；W1數值在-2 μm～+10 μm變化時所引起的相對誤差為0～0.89%。偏置層厚度H1的加工誤差所引起的驅動位移相對誤差遠大于偏置層寬度W1引起的驅動位移相對誤差。因此，在對偏置層進行加工時，要嚴格控制偏置層厚度H1的加工誤差。

表2 H1、W1的加工誤差對驅動器位移的影響

5 結論

本文設計一種電熱微驅動器，根據幾何關系、泰勒公式和材料力學可以求得偏置層結構末端的位移公式，進而驗證了采用鎳作為偏置層材料的合理性。通過Coventorware軟件中的有限元模塊進行仿真分析，驗證驅動層結構末端位移公式的合理性，同時驗證了材料選用的合理性。通過Coventor?ware軟件得出施加驅動電壓為5 V，響應時間為5 ms，驅動器的初始溫度為300 K時，偏置層寬度W1與驅動器位移d的曲線關系。進而，確定W1=20 μm。通過驗證驅動器的最大應力為235 MPa，小于鎳的許用應力，確定驅動器在W1=20 μm可以進行可靠的工作。分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅動器末端位移的影響，可得在對偏置層進行加工時要嚴格控制偏置層厚度H1的加工誤差。

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鄧炬鋒（1988-），男，碩士研究生，從事MEMS執行器、傳感器的設計與實驗研究，djfxueshulunwen@126.com；

史春景（1968-），男，副教授，從事MEMS、制造業信息化等領域工作的研究scjxueshulunwen@126.com。

Analysis of the Bias Layer in the Micro Electro-Thermal Actuator*

DENG Jufeng，SHI Chunjing*，HAO Yongping，WANG Suocheng
（Technology Center of CAD/CAM，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

This paper designs a micro electro-thermal actuator.The displacement formula of the micro electro-ther?mal actuator derives from the geometric relations，the Taylor formula and materials mechanics.It is verified that the nickel used as the bias layer material is mainly the structural material.Finite element simulation using the Coventor?ware software on the bias layer，concludes that when voltage is 5 V，the response time is 5 ms，temperature is 300 K，the actuator displacement curve to the bias layer width（W1）can be acquired.The maximum stress of actuator is 235 MPa，is less than the allowable stress of nickel.Then，it has high reliability when W1=20 μm can be obtained.It is analyzed that the machining error has great influence for the drive end displacement of thickness and width in the bias layer，and it concludes that the machining error of the bias layer thickness（H1）must be strictly controlled dur?ing machining.

micro electro-thermal actuator；displacement formula；coventorware；bias layer；stress；machining error

TM564.3

A

1004-1699(2015）10-1490-04

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.013

項目來源：國家863項目（2015AA042701）

2015-05-29 修改日期：2015-08-05