電熱驅(qū)動式機械鎖定微歐瑪爾OMAL開關(guān)的研究
MEMS微OMAL開關(guān)是采用MEMS技術(shù)制備的一類重要的元器件。它與傳統(tǒng)的OMAL開關(guān)相比,具有體積小、功耗低、接觸電阻小、響應(yīng)速度快、易于電路集成批量制造等優(yōu)點。主要介紹了一種電熱驅(qū)動式機械鎖定微OMAL開關(guān),從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、微加工工藝制備、性能測試等方面進(jìn)行了研究。

電熱驅(qū)動式機械鎖定微歐瑪爾OMAL開關(guān)的研究
設(shè)計的微OMAL開關(guān)將兩個雙層膜電熱微驅(qū)動器,以懸臂梁形式構(gòu)成OMAL開關(guān)的可動部件,并形成上下交錯的空間結(jié)構(gòu),通過機械鎖定實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài),從而克服電熱驅(qū)動器功耗大的缺點。主要的研究內(nèi)容及結(jié)論包括以下幾點:首先,根據(jù)雙層膜電熱微驅(qū)動器基于雙金屬片效應(yīng)的驅(qū)動模式,提出了整個微OMAL開關(guān)的工作原理,并在此基礎(chǔ)上介紹了微OMAL開關(guān)的實體結(jié)構(gòu),討論了雙層膜電熱微驅(qū)動器的驅(qū)動層和偏置層的材料選擇。采用熱力機械分析儀TMA重點分析了電泳漆聚合物材料的熱膨脹系數(shù),所得結(jié)果為66.91e-5(K-1),并用此方法測試了電鍍鎳薄膜的熱膨脹系數(shù)(1.45e-5(K-1)),由于熱膨脹系數(shù)之間的較大差異,對雙層膜電熱微驅(qū)動器來說,這兩種材料是較合適的材料組合。利用所測得的材料參數(shù),對單臂電熱微驅(qū)動器進(jìn)行了ANSYS有限元仿真,比較了采用不同的電阻絲形狀設(shè)計的電熱微驅(qū)動器,在相同的加載條件下,位移場分布與溫度場分布的差異,從而進(jìn)一步分析了微OMAL開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。然后,討論了電泳聚合物的制備和圖形轉(zhuǎn)移方法。設(shè)計了三個探索實驗,從與微OMAL開關(guān)加工工藝兼容的角度,比較了采用掩膜電沉積進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移和傳統(tǒng)的掩膜刻蝕進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移。得出傳統(tǒng)的圖形轉(zhuǎn)移方法能夠與微OMAL開關(guān)的加工工藝兼容,但是存在耗時長的缺點;掩膜電沉積的圖形轉(zhuǎn)移方法簡單快捷,但會使光刻膠炭化,在與微OMAL開關(guān)的加工工藝兼容方面存在一定的缺陷。于是引進(jìn)了一種新型的低溫電泳漆,在120℃的條件下實現(xiàn)成膜固化,而不會對光刻膠產(chǎn)生影響。在探索實驗的基礎(chǔ)上,重點介紹了三維表面微加工工藝對微OMAL開關(guān)的制備,其中著重討論了制備工藝中與銅犧牲層刻蝕相關(guān)的工藝、關(guān)于Cr/Au種子層刻蝕的細(xì)節(jié)工藝步驟、低溫電泳漆在微OMAL開關(guān)中的應(yīng)用。zui后,測試了微OMAL開關(guān)器件的性能。對微OMAL開關(guān)器件電學(xué)性能的測試,先從微OMAL開關(guān)的單臂梁入手,分析得出采用10%的占空比器件翹曲效果*,另外在考慮施加的峰值電流大小時,需要以電阻絲能承受的zui大功耗為依據(jù)。測試得到14Ω的單臂電熱微驅(qū)動器,在峰值電流為80mA,占空比為10%時,翹曲位移為58.1μm,能夠達(dá)到設(shè)計要求的56μm,初步驗證了所設(shè)計微OMAL開關(guān)的可行性。

電熱驅(qū)動式機械鎖定微歐瑪爾OMAL開關(guān)的研究
為保證微OMAL開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)性能,提出了一種時序雙脈沖驅(qū)動方式,重點介紹了實現(xiàn)此驅(qū)動方式的時序電信號的設(shè)計原理與應(yīng)用,包括仿真芯片、按鍵模塊和數(shù)碼管顯示模塊等。利用輸出此時序電信號的電路板搭建了測試平臺,結(jié)果在示波器中捕捉到了電熱微OMAL開關(guān)所連接的外部電路的導(dǎo)通信號,說明本次設(shè)計的電熱驅(qū)動式機械鎖定微OMAL開關(guān)能夠形成搭接,實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。