基于电热驱动的MEMS继电器的研制

摘要

微电子机械系统(MEMS)是微电子、微驱动器、多数情况下还包括微传感器的集成化系统,是微电子技术与机械、光学等领域交叉融合而产生的一项新技术。MEMS及相关技术使得光、机、电、磁、热等功能器件的微型化、集成化制造和功能复合成为可能,从而可以显著提高现有产品的功效,并有可能创造新的器件、系统结构形式,产生许多新的功能。MEMS继电器是结合微细加工技术和继电器技术而制作出的微继电器。微继电器作为一种基本的机电元件广泛地应用于信息处理,通信重点工程等各个领域。相比于传统的基于机械操纵触点导通机制的机电继电器和基于无触点半导体元件的固态继电器,微继电器具有体积小、高线性度、低功耗、高隔离度、易集成化等优点。按驱动方式的不同,微继电器主要可以分为：静电驱动微继电器,电磁驱动微继电器和电热驱动微继电器。与微静电继电器和微电磁继电器相比,电热驱动微继电器具有驱动电压低,驱动力大,结构和工艺过程简单等优点。本文设计和制作了一种新型的电热驱动MEMS继电器。微继电器主要分为热驱动臂、放大臂、SU8绝缘块、触头和信号输入、输出端等部分。整个结构是基于杠杆放大原理设计的,呈现为一“T”型结构。加热臂采用“U”型结构设计,能够在不增加加热臂电阻和微继电器功耗的前提下,增加加热臂的驱动力；而放大臂采用杠杆原理可以将加热臂的微小热膨胀伸长放大为触点较大的位移。微继电器行程较大。同时,在“U”型热驱动臂之间引入SU8支持块来加固热驱动臂结构；在放大臂顶端和触头结合处引入了SU8绝缘块将微继电器的控制信号和传输信号进行电气隔离。另外,借助于有限元分析软件Ansys10.0进行辅助设计。采用了非硅MEMS工艺来制作微继电器。研究了与其相关的工艺技术,确定了合适的工艺方案和工艺参数。采用溅射、甩胶、光刻、电镀、腐蚀等工艺,以溅射Cr/Cu薄膜为电镀金属种子层,以电镀Cu作为控制线路和牺牲层材料,以电镀Ni作为微继电器结构层材料,以SU8负胶工艺制作了SU8绝缘块结构,以正性光刻胶为腐蚀保护材料并采用湿法释放技术刻蚀Cu牺牲层形成悬空结构梁,最后采用曝光去胶法去除保护层正胶材料。经过整合工艺流程,成功地制作出MEMS继电器原型器件。在自制的测试平台上测试,微继电器的电阻为2 ？,驱动电压为0.5 V,响应时间(ton)为11 ms,恢复时间(toff)约为1 ms。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 微机电系统（MEMS）

1.1.1 MEMS 国内外研究概况

1.1.2 MEMS 加工技术

1.1.3 MEMS 微型元器件

1.1.4 MEMS 的应用

1.2 微继电器

1.2.1 MEMS 继电器

1.2.2 MEMS 继电器的应用前景

1.3 本文的研究内容

第二章 电热驱动MEMS 继电器

2.1 引言

2.2 结构模型

2.3 微继电器的工作原理

2.4 本章小结

第三章 MEMS 继电器的仿真分析与设计

3.1 设计目标

3.2 理论计算

3.3 待定参数

3.4 材料参数

3.5 仿真分析

3.5.1 重力仿真模拟

3.5.2 电热结构耦合仿真模拟

3.5.3 设计结果

3.6 本章小结

第四章 电热驱动MEMS 继电器的制作工艺

4.1 总体工艺评述

4.2 实验设备

4.3 集成制造技术

4.3.1 工艺流程

4.3.2 工艺流程示意图

4.3.3 工艺详述

4.4 掩膜版图

4.5 相关工艺研究

4.5.1 光刻胶牺牲层技术

4.5.2 Cu 牺牲层工艺

4.6 本章小结

第五章 实验结果

5.1 引言

5.2 实验样品

5.2.1 样品照片

5.3 性能测试

5.3.1 MEMS 继电器的尺寸

5.3.2 测试原理

5.3.3 继电器工作性能

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文