微電熱驅(qū)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(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，沈陽110159）

微電熱驅(qū)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(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，沈陽110159）

設(shè)計(jì)了一種電熱微驅(qū)動器，根據(jù)幾何關(guān)系、泰勒公式和材料力學(xué)求得偏置層結(jié)構(gòu)末端的位移公式，并驗(yàn)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(jìn)行仿真分析，得出施加驅(qū)動電壓為5 V，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，驅(qū)動器的初始溫度為300 K時(shí)，得出偏置層寬度W1與驅(qū)動器位移d的曲線關(guān)系。通過驗(yàn)證驅(qū)動器的最大應(yīng)力為235 MPa，小于鎳的許用應(yīng)力，確定驅(qū)動器在W1=20 μm可以進(jìn)行可靠的工作。分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅(qū)動器末端位移的影響，可得在對偏置層進(jìn)行加工時(shí)要嚴(yán)格控制偏置層厚度H1的加工誤差。

電熱微驅(qū)動器；位移公式；Coventorware；偏置層；應(yīng)力；加工誤差

目前國內(nèi)外微驅(qū)動器的研究和應(yīng)用，較多的集中在靜電驅(qū)動［1］、電磁驅(qū)動［2］等，而電熱驅(qū)動相對較少。電熱驅(qū)動器應(yīng)用仍不成熟，大多局限在實(shí)驗(yàn)室中的仿真［3-6］。目前，數(shù)值仿真已在MEMS電熱器件的性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了重要的作用［7-8］，但是缺少必要的理論公式。電熱驅(qū)動具有驅(qū)動電壓低、驅(qū)動位移大、制備工藝簡單且成本低廉的特點(diǎn)，是一種適合微執(zhí)行器的驅(qū)動機(jī)制。本文介紹一種雙層膜懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)，對驅(qū)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(yīng)用提供參考依據(jù)，同時(shí)也為電熱驅(qū)動在引信方面的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 微驅(qū)動器工作原理

本文設(shè)計(jì)的電熱微驅(qū)動器，該驅(qū)動器為等效的雙層膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。左端為錨區(qū)固定端，綠色的質(zhì)量塊為基座，紫色部分為偏置層，上面的紅色部分為驅(qū)動層，驅(qū)動層之間所夾的結(jié)構(gòu)為發(fā)熱電阻絲層。當(dāng)給電阻絲施加電壓時(shí)，電阻絲截面因有電流通過而產(chǎn)生焦耳熱Q，通過熱傳導(dǎo)，熱量會從發(fā)熱層逐漸傳遞給驅(qū)動層和偏置層，由于偏置層材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于驅(qū)動層，所以驅(qū)動層產(chǎn)生較大變形，向下擠壓偏置層，使結(jié)構(gòu)整體發(fā)生面外運(yùn)動，偏置層與基座接觸，驅(qū)動器閉合，后續(xù)的檢測電路接通，向后續(xù)的發(fā)火電路傳遞發(fā)火信號，驅(qū)動器動作完成。

圖1 驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)圖

2 電熱微驅(qū)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(shù)且α1＜α2。偏置層與基座的距離為H3。根據(jù)幾何關(guān)系、泰勒公式和材料力［9］學(xué)可以求得偏置層結(jié)構(gòu)末端的位移d：

其中：

式中：

利用CoventorWare軟件對微驅(qū)動器進(jìn)行電熱分析，給電阻絲伸出端施加5 V的電壓，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，驅(qū)動器的初始溫度為300 K加到400 K，結(jié)構(gòu)參數(shù)為H1=5 μm，H2=10 μm，L=780 μm，W1=W2= 250 μm，得出：在5 ms時(shí)的溫度云圖，如圖2所示。在400 K時(shí)的位移云圖，如圖3所示。由圖3可見驅(qū)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(yàn)證了式（1）的合理性。

圖2 5 ms時(shí)的溫度云圖

圖3 溫度400 K時(shí)位移云圖

選擇合適的材料，對于驅(qū)動器的運(yùn)動起著至關(guān)重要的作用［10］。不同材料的各項(xiàng)物理性質(zhì)如表1所示［11］。

表1 材料的物理性質(zhì)

通過對SU-8膠特點(diǎn)的分析［12］，選用SU-8膠作為驅(qū)動層。鎳、多晶硅、銅分別作為偏置層時(shí)，由表1中各材料的性質(zhì)可分別計(jì)算驅(qū)動位移d1，d2，d3的比值關(guān)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(chǎn)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(qū)動器進(jìn)行電熱分析，給電阻絲伸出端施加5 V電壓，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，驅(qū)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(qū)動器位移d的曲線關(guān)系，偏置層寬度與驅(qū)動器左側(cè)固定端應(yīng)力的曲線圖，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 偏置層寬度與驅(qū)動器位移的曲線圖

圖5 偏置層寬度與驅(qū)動器左側(cè)固定端應(yīng)力的曲線圖

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

圖6 驅(qū)動器應(yīng)力變化

鎳材料的許用應(yīng)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(qū)動器位移d的影響，分析結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 驅(qū)動器偏置層厚度對驅(qū)動器位移的影響

圖8 驅(qū)動器偏置層寬度對驅(qū)動器位移的影響

由圖7可見，隨著偏置層厚度的增加，驅(qū)動器位移在減小。由圖8可見，隨著偏置層寬度的增加，驅(qū)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(shí)也說明驅(qū)動器偏置層厚度和寬度對驅(qū)動特性的影響。由于對器件加工時(shí)不可避免的出現(xiàn)加工誤差，故分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅(qū)動器末端位移的影響。考慮H1、W1的數(shù)值在-2 μm～+10 μm變化時(shí)，對驅(qū)動器位移的影響。

由圖4、圖7和表2可知，H1數(shù)值在-2 μm～+10 μm變化時(shí)所引起的相對誤差為28%～74.3%；W1數(shù)值在-2 μm～+10 μm變化時(shí)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(qū)動位移相對誤差遠(yuǎn)大于偏置層寬度W1引起的驅(qū)動位移相對誤差。因此，在對偏置層進(jìn)行加工時(shí)，要嚴(yán)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(qū)動器位移的影響

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種電熱微驅(qū)動器，根據(jù)幾何關(guān)系、泰勒公式和材料力學(xué)可以求得偏置層結(jié)構(gòu)末端的位移公式，進(jìn)而驗(yàn)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(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證驅(qū)動層結(jié)構(gòu)末端位移公式的合理性，同時(shí)驗(yàn)證了材料選用的合理性。通過Coventor?ware軟件得出施加驅(qū)動電壓為5 V，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，驅(qū)動器的初始溫度為300 K時(shí)，偏置層寬度W1與驅(qū)動器位移d的曲線關(guān)系。進(jìn)而，確定W1=20 μm。通過驗(yàn)證驅(qū)動器的最大應(yīng)力為235 MPa，小于鎳的許用應(yīng)力，確定驅(qū)動器在W1=20 μm可以進(jìn)行可靠的工作。分析偏置層厚度和寬度的加工誤差對驅(qū)動器末端位移的影響，可得在對偏置層進(jìn)行加工時(shí)要嚴(yán)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(zhí)行器、傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，djfxueshulunwen@126.com；

史春景（1968-），男，副教授，從事MEMS、制造業(yè)信息化等領(lǐng)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(xiàng)目來源：國家863項(xiàng)目（2015AA042701）

2015-05-29 修改日期：2015-08-05