一种新型的电热驱动MEMS微继电器的研制

第22卷 第12期2009年12月
传感技术学报
CHIN ES E JO URN AL O F SENS ORS AND ACTUATO RS
Vol.22 No.12D ec.2009
项目来源:国家自然科学基金资助(50875169)收稿日期:2009-07-20 修改日期:2009-08-19
Development of a Novel Electric -Therma-l Driven MEMS Micro -Relay *
H U Zhij un,CH EN Di *,H UA N G Chuang ,CH EN X iang ,ZH U J un,L I U J ingquan
N ational K ey L abora tory of N ano/M icr o F abrication Te chnolog y ,K ey L ab f or T hin Film and M ic ro -f abr ica tion of M inistry of E duc ation,R esear ch I nstitu te of M ic ro/N ano S cience and T echnolog y ,S hang hai J iao T ong Univ.,S hang hai 200240,China
Abstract:A novel electric -ther ma-l driven micr o -electronic -mechanical(MEM S)relay w as developed,and the performance test w as carried out.The no n -silico n M EMS fabr ication process w as used,Cu as sacrifice material and Ni as structural material.The micro -relay can obtain larger travel,w hich is based on the principle of leverage.The driving arm,utilizing /U 0shape -beam design,can pr oduce larger driving for ce by small pow er.Ansys1010finite elem ent analysis so ftw are w as used to simulate and analyze.T esting result show s that this no vel micro -relay has advantages of small volume,low driving voltage,and fast repetition rate.Key words:MEM S;micr o -relay;electric -ther mal driven;finite element analysis EEACC :2180B;2575F
一种新型的电热驱动M EM S 微继电器的研制
*
胡志军,陈 迪*
,黄 闯,陈 翔,朱 军,刘景全
上海交通大学微纳科学技术研究院,微米/纳米加工技术国家级重点实验室,薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200240
摘 要:设计和制备了一种新型的电热驱动微电子机械(M EM S)继电器,并进行了性能测试。

整个工艺采用非硅M EM S 工
艺,利用Cu 作为牺牲层材料,Ni 作为微继电器的结构材料。

微继电器是基于杠杆放大原理设计的,因此能够获得较大的行程;驱动臂采用/U 0型梁设计,能够在不增加功耗的条件下,获得较大的驱动力。

并采用A nsy s1010有限元软件对微继电器进行了模拟分析。

测试结果表明,这种微型继电器具有体积小、驱动电压低、切换速度快等优点。

关键词:M EM S;微继电器;电热驱动;有限元分析中图分类号:TN60315;TN405
文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2009)12-1696-05
微型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。

相比于传统的应用于机械继电器的半导体开关,如PIN 和FET ,微型继电器具有体积小,低插入损耗、高线性度、低功耗、高隔离度、易集成化[1-2]等优点。

Peterson 在1979年首次报告了M EMS 继电器开关[3]
,但直到20世纪90年代M EMS 继电器开关才发展起来。

从驱动方式看,微继电器可以分为[4-6]:微静电继电器、微电热继电器和微电磁继电器。

微静电继电器较为常见,但这类微型继电器的驱动力较小,能够产生的位移也较小。

因此,要提高驱动电压并减小极板间距,但这又给加工工艺提出
了很高的要求。

微电磁继电器为了获得较大的电磁力,通常要加工磁芯和较多匝数的线圈,加工工艺较为复杂。

电热驱动微继电器是基于热膨胀原理的。

当电
流通过电阻时会产生热量,使得材料温度升高,发生热膨胀伸长,从而实现微继电器的闭合。

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。

D.Girbau 和izar o 等设计的一种/V 0型梁热驱动RF -M EM S 微继电器[7]。

这种设计采用并排的/V 0型梁热驱动臂能够有效地增大驱动力。

但是,这种/V 0型梁设计采取多排并列梁驱动,功耗
较大。

Jin Qiu 等人研制了一种预变形的/U 0型梁双稳态热驱动微继电器[8]。

这种微继电器的关态电阻为60m 8,最大电流载荷为3A;在1ms 脉冲的驱动下,微继电器的最大工作频率为5H z 。

他们采用多晶硅作为微继电器的驱动材料,微继电器的工作温度达到几百摄氏度。

如此高的工作温度对器件的寿命和稳定性是一个极大的考验。

本文提出了一种新型的基于电热驱动的微机械继电器。

采用了/U 0型的加热臂和基于杠杆放大原理的放大臂设计。

/U 0型的加热臂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。

工艺上采用M EM S 的表面微加工技术,工艺过程较为简单。

采用铜作为牺牲层材料,镍作为结构材料[9],能够有效地降低微型继电器的工作温度。

并使用Ansys1010进行仿真分析和结构设计。

1 工作原理和结构模型
图1为热驱动型微机械射频微继电器的结构原
理示意图。

微继电器主要分为热驱动臂、放大臂、触头和信号输入、
输出端等部分。

热驱动臂与放大臂图1 热驱动微型继电器的结构模型示意图直接连接。

微继电器的结构材料为金属镍(Ni)。

加热臂采用/U 0型结构[8],可以在不增加加热臂的电阻和微继电器的功耗的前提下增加加热臂的输出驱动力。

当驱动信号输入端接入驱动信号时,/U 0型加热臂在焦耳热效应的作用下,发生热膨胀伸长,通过热驱动臂和放大臂之间的金属连接块推动放大臂。

放大臂为一端固定的杠杆结构,因此能够将加热臂的微小热膨胀伸长转变为放大臂顶端的触点的较大位移。

从而,致使放大臂顶端的触头与接触块接触,信号导通。

放大臂的固定端的前端有一泻荷槽,可以有效的减小放大臂达到预定形变时所需的驱动力。

当取消驱动信号输入时,由于热传导、热对流和热辐射等的作用,热驱动臂不断损失热量。

热驱动臂的热膨胀伸长逐渐减少。

这同样也经过放大臂的放大,导致触头与接触块迅速地分离,微继电器
打开,信号传输切断。

2 结构设计与模拟分析
根据图1的微型继电器的结构示意图,在热驱动臂的一端的驱动信号输入端施加驱动电压时,由于焦耳热效应,热驱动臂发生热膨胀伸长。

其热膨胀形变可以由下面公式得出[10]
:
$L =L 0A $T
(1)
$L 为热驱动臂的长度变化值;L 0是热驱动臂原始长度;A 为材料热膨胀系数;$T 为热驱动臂的温度变化值。

热驱动臂产生热膨胀形变,推动放大臂。

基于
杠杆放大原理的放大臂,又将热驱动的微小热形变放大成放大臂顶端触头的较大位移。

触头的位移量可以由公式(2)得出
$Y =$L *
L L m
(2)
$Y 为放大臂触头的位移量,L 为放大臂的总长度,L m 则是热驱动臂与放大臂之间的金属连接块与放大臂底端锚点的距离。

将公式(1)代入公式(2)中,可以得到触头的位移与加热臂温度的关系式$Y =L 0A $T *
L L m
(3
)图2 微型继电器驱动电压与触头位移的曲线关系
微型继电器的结构设计主要包括以下几个方
面[11-12]
:¹热驱动臂和放大臂厚度和宽度的设计,
来提高结构的刚度;º触头设计,减少接触电阻,获得较好的接触性能;»热驱动臂和放大臂长度的设计,来减少驱动电压,获得理想的放大效果;¼泻荷槽的设计,降低放大臂的弹性系数,减小驱动电压,同时也会影响微型继电器的回复力。

因此,设计时要折中考虑。

实际上,微型继电器结构复杂,一维数值分析只能起到简单的定性分析。

本文采用了Ansys1010有限元分析软件进行机电热耦合仿真[13]。

图2和图3分别为微型继电器的驱动电压和放大臂触头位移的关系曲线和微型继电器驱动电压与热驱动臂工
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第12期胡志军,陈 迪等:一种新型的电热驱动M EM S 微继电器的研制
作时最高温度的曲线关系。

从图中可以看出,在驱动电压为0115V 的时候,开关触头位移为6L m;工作时,热驱动臂的最高温度为440K,在理想的工
作范围内。

图3 微型继电器驱动电压与热驱动臂工作时
最高温度的曲线关系
通过理论计算和Ansy s 模拟分析得到微型继
电器的关键结构参数,如表1和图4所示。

其中,/U 0型热驱动臂长a,宽b,间距为e;放大臂长c,宽d;热驱动臂和放大臂的厚度都为m;放大臂顶部的触头与接触块(信号输出端)之间的间距为f ;泻荷槽位于放大臂与热驱动臂连接处的下方,深g,宽h;热驱动臂与放大臂之间的间距为l 。

表1 微型继电器的关键结构参数
a /L m
b /L m
c /L m
d /L m
e /L m
f /L m m /L m
g /L m
h /L m l /L m 800
10
250
12
30
6
20
4
10
30
图4 微型继电器的关键结构参数
3 制作工艺流程
这种热驱动微机械射频微继电器采用M EMS 表面微加工工艺制作。

光刻设备采用德国Karl Suss 公司M A6光刻机。

工艺流程如图5所示。

¹采用玻璃为基片,用去离子水清洗基片,在60e 烘干。

º溅射电镀种子层(Cr/Cu),如图5(a)所示。

溅射Cr 膜可以有效地增强后继结构与基底材料的结合力,溅射Cu 膜有利于后面电镀工艺的开展。

»旋涂10L m 的正性光刻胶AZ P4620,光刻
显影形成驱动电路、信号电路和牺牲层结构的图形,如图5(b)所示。

¼电镀铜,制作驱动电路、信号电路和牺牲层结构,如图5(b)所示。

½用丙酮浸泡,去除正性光刻胶。

¾旋涂正性光刻胶AZ 50XT 30L m,光刻显影形成热驱动臂、放大臂、接触块等的图形,如图5(c)所示。

¿电镀金属镍(Ni),制作热驱动臂、放大臂、接触块等部分,如图5(c)所示。

À用丙酮浸泡,去除正性光刻胶。

Á用双氧水和氨水混合溶液刻蚀去除种子层
Cu,如图5(d)所示。

Â甩正性光刻胶AZ P462020L m,光刻显影形成保护图形,露出牺牲层结构部分,保护驱动电路和信号电路,如图5(e)所示。

l v 用双氧水和氨水混合溶液刻蚀去除牺牲层铜[14-15],释放微型继电器结构,如图5(f)所示。

l w 曝光,显影去除正性光刻胶,如图5(g)所示。

l x 用铁氰化钾和NaOH 混合溶液刻蚀去除种子层Cr
[15]
,如图5(h)所示。

图5 微型继电器工艺流程图
4 实验结果与讨论
测试过程在实验室搭建的平台上进行。

测试平台主要由Tektronix T PS2012B 型数字双踪示波器,两个RYI -3002型直流稳压电源组成。

研制的微型继电器样品如图6所示。

用V C9807A +型万用电表测的开关的电阻为28。

驱动电压为0144V,比模拟分析的驱动电压大。

这是因为,实际测试时,测试电路中还要考虑导线电阻,负载电阻和接触电阻。

因此,实际驱动电压要比模拟分析时的驱动电压大。

测量结果如图7、8所示,表明开关t on =11ms,t off 约为1m s 。

由此可
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传 感 技 术 学 报2009年
图6 微型继电器样品
得到开关的工作频率约为91H z 。

开关的响应性能
较好。

另外,测试中出现了电压的过冲和下冲现象。

如图7、8中的锐角曲线所示。

具体原因可能是由于测试电路中的等效输出电容中的残留电荷没有快速泄放,再累加上突变后的电压而造成的,也可能是测
试电路中的分布电容和分布电感所引起的。

图7 微型继电器的响应曲线(t on
)
图8 微型继电器的恢复曲线(t o ff )
5 结论
本文设计和制作了一种新型的电热驱动MEM S 微继电器。

采用/U 0型的加热臂和基于杠杆放大原理的放大臂设计。

/U 0型的加热臂设计可
以增加加热臂的输出驱动力和较好的触点接触性能;而放大臂采用杠杆原理设计可以获得较大的开关行程。

用金属镍作为开关的结构电阻材料,能够有效地降低开关的工作温度。

测试结果表明,开关
的电阻为28,驱动电压为0144V,t on =11ms,t off 约为1ms 。

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胡志军(1984-),男,硕士研究生,在上海交通大学微纳科学技术研究院从事微型继电器和RF -M EM S 开关的研究工作,M ikael.Hu@g ma ;
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第12期胡志军,陈 迪等:一种新型的电热驱动M EM S 微继电器的研制
陈迪(1961-),男,博士生导师,上海交通大学微纳科学技术研究院L IGA 技术及应用研究室主任。

目前其研究领域为非硅M EM S微加工技术、R F-M EM S、植入式生物微系统和微流控芯片等,dchen@.
cn;黄闯(1980-),男,博士研究生,在上海交通大学微纳科学技术研究院从事RF-M EM S开关,左手材料相关的研究工作,paull_huang@sjt 。

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