扭梁懸臂梁支撐的扭擺式MEMS永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)_圖文

1、第27卷第1期2006年1月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol. 27No. 1J an. ,20063教育部科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):0307 通信作者. Email :. cn 2005206218收到,2005210204定稿2006中國(guó)電子學(xué)會(huì)扭梁懸臂梁支撐的扭擺式MEMS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)3姜政 丁桂甫王艷張東梅王志明馮建智(上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院, 上海200030摘要:在進(jìn)行理論分析證實(shí)可行性和模擬仿真優(yōu)化參數(shù)后, 利用非硅表面微加工方法中的犧牲層工藝制備了一種扭梁懸臂梁支撐的扭擺式M E

2、MS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu). 該雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)尺寸為119mm ×116mm ×0103mm , 通過(guò)永磁力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)姿態(tài)無(wú)功耗保持, 通過(guò)對(duì)其單側(cè)觸點(diǎn)施加縱向驅(qū)動(dòng)力使之達(dá)到30m 的縱向驅(qū)動(dòng)位移, 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)姿態(tài)切換, 可以通過(guò)控制永磁體磁片、懸臂梁和扭梁的尺寸來(lái)靈活調(diào)控穩(wěn)態(tài)切換所需的驅(qū)動(dòng)力矩. 此雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)可與電磁驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)和靜電驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型的微驅(qū)動(dòng)器聯(lián)用構(gòu)成永磁雙穩(wěn)態(tài)M EMS 微繼電器. 關(guān)鍵詞:永磁; 雙穩(wěn)態(tài); M EMS ; 微繼電器EEACC :1350; 2180; 2575中圖分類(lèi)號(hào):TN60315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):025324177(2006 0

3、1201432071前言通信、儀表和汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用各種繼電器, 當(dāng)插入損耗和絕緣性要求較高時(shí), 與固態(tài)繼電器相比, 傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器無(wú)疑將會(huì)是最佳選擇. 然而, 機(jī)電繼電器微型化技術(shù)的進(jìn)展相對(duì)于芯片技術(shù)要滯后很多, 因此成為了控制模塊集成化和微型化的技術(shù)瓶頸. 微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(micro electrome 2chanical systems , M EMS 一方面保持著傳統(tǒng)機(jī)電繼電器的金屬觸點(diǎn)接通與斷開(kāi)模式設(shè)計(jì), 一方面能夠以類(lèi)似半導(dǎo)體技術(shù)的集成工藝批量制造, 集機(jī)電繼電器和固態(tài)繼電器兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身, 因此有可能是繼電器微型化的可行技術(shù)途徑.但是伴隨著繼電器尺寸的減小,M EMS

4、 器件的功耗成為制約其工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一, 為此一些開(kāi)關(guān)類(lèi)器件嘗試采用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制工作以降低整體功耗. 比如電磁驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)和繼電器, 僅在需要開(kāi)/閉狀態(tài)切換時(shí)才接通電源, 而在姿態(tài)保持階段則借助雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)功耗保持. 已經(jīng)有多種此類(lèi)實(shí)驗(yàn)室樣品誕生14, 其中大多數(shù)采用靈巧機(jī)械機(jī)構(gòu), 借助彈性能的積聚與轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的保持與切換. 其中典型的是雙端固定的彎曲梁機(jī)構(gòu), 它借助機(jī)械變形的彈性力實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài). 但是這類(lèi)機(jī)構(gòu)通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、效率較低, 而且部件疲勞損傷嚴(yán)重, 聯(lián)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)一步延緩了可動(dòng)部件的響應(yīng)速度. 而已有的采用永磁機(jī)制的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)方式, 與大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器的縱

5、向驅(qū)動(dòng)方式不兼容. 因此至今尚未有任何雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)能夠真正達(dá)到實(shí)用化水平, 探索新的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)仍然是該方向的重要研究?jī)?nèi)容.本文設(shè)計(jì)并制備了一種可以借助微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的采用扭梁懸臂梁支撐的扭擺式M EMS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu). 它不但體積小、易于實(shí)現(xiàn)縱向位移、穩(wěn)態(tài)姿態(tài)保持無(wú)需功耗, 而且方便與各種驅(qū)動(dòng)機(jī)制的微驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)工藝與功能的兼容, 具有廣泛適用性. 2永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2. 1結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示, 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)組成部分包括下軟磁回路、永磁體、基臺(tái)、扭梁、懸臂梁、觸點(diǎn)和外接電極, 其中扭梁、懸臂梁、觸點(diǎn)、基臺(tái)和下軟磁回路均為軟磁材料. 機(jī)構(gòu)兩側(cè)的觸點(diǎn)被扭梁和懸臂梁支撐懸浮于外接電極的引線端口和

6、下軟磁回路的上方, 扭梁和懸臂梁安裝在基臺(tái)上, 基臺(tái)和永磁體安裝在下軟磁回路上.該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)各組成部分的作用及整體工作原理如下:永磁體提供磁場(chǎng); 下軟磁回路導(dǎo)磁; 基臺(tái)支撐懸臂梁和扭梁, 并為觸點(diǎn)提供氣隙空間; 扭梁將懸半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第27卷圖1扭梁懸臂梁支撐的永磁MEMS 雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)示意圖1:永磁體;2:下軟磁回路;3:觸點(diǎn);4:懸臂梁;5:扭梁;6:基臺(tái);7:外接電極Fig. 1Schematic configuration of a teeterboard pattern M EMS permanent magnet bistable structure supported by torsi

7、on and cantilever beam 臂梁的縱向位移轉(zhuǎn)化為橫向扭轉(zhuǎn)小形變; 懸臂梁的縱向位移導(dǎo)致觸點(diǎn)的閉合和斷開(kāi), 觸點(diǎn)閉合使懸臂梁連通了兩外接電極, 斷開(kāi)便使懸臂梁脫離兩外接電極; 四個(gè)外接電極可作為微繼電器的雙向電極溝通外電路. 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)通過(guò)被聯(lián)用的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)工作. 當(dāng)其一側(cè)觸點(diǎn)被聯(lián)用的驅(qū)動(dòng)器抬起或下壓, 另一側(cè)觸點(diǎn)將同步下沉或上升. 當(dāng)下沉一端的觸點(diǎn)與下軟磁回路接觸時(shí), 雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)中便溝通形成“永磁體2扭梁2懸臂梁2觸點(diǎn)2下軟磁回路2永磁體”的閉合磁路, 其中的磁作用力能一直保持該觸點(diǎn)的下沉狀態(tài)而無(wú)需聯(lián)用驅(qū)動(dòng)器持續(xù)出力. 該下沉的觸點(diǎn)同時(shí)能溝通外接電極, 形成繼電器的通態(tài).

8、 此時(shí)的磁作用力同時(shí)能夠提供觸點(diǎn)接觸的壓力, 使繼電器的接入電阻維持在較低的水平. 如果要切斷這一側(cè)電路, 只需要給聯(lián)用驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖電流, 抬起該側(cè)懸臂梁或下壓另外一側(cè)懸臂梁, 該側(cè)觸點(diǎn)就會(huì)被抬起, 這側(cè)電路便被切斷, 而另一側(cè)的觸點(diǎn)就會(huì)下壓從而形成與前述相似的磁回路與電回路, 同樣實(shí)現(xiàn)無(wú)功耗姿態(tài)保持. 2. 2特點(diǎn)該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)基于金屬對(duì)金屬接觸的導(dǎo)通機(jī)制, 觸點(diǎn)閉合時(shí)為金屬直接接觸, 接觸電阻小、插入損耗低; 觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)為氣隙隔絕, 開(kāi)路電阻大、隔斷效果好. 因此將其應(yīng)用到微繼電器中時(shí), 可以使繼電器擁有機(jī)電繼電器式的優(yōu)點(diǎn).該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)通過(guò)永磁吸引力來(lái)保持穩(wěn)態(tài), 不需要外加電流來(lái)保持穩(wěn)態(tài),

9、 因此用于微器件可以克服持續(xù)功耗所導(dǎo)致的散熱困難. 永磁體可以通過(guò)電鍍方法進(jìn)行原位制備6, 這種與半導(dǎo)體技術(shù)兼容的工藝對(duì)集成制造十分有利, 但目前通過(guò)電鍍獲得的永磁體磁性能遠(yuǎn)不如常規(guī)永磁體磁片, 因此永磁體磁片仍然是當(dāng)前最合適的選擇.該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的三維磁路構(gòu)造形式未見(jiàn)報(bào)道,對(duì)其施加縱向小位移驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)切換. 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)切換所需力矩可以通過(guò)控制懸臂梁、扭梁和永磁體的尺寸靈活控制, 切換所需的觸點(diǎn)位移可以通過(guò)控制基臺(tái)高度精確控制, 切換速度可以通過(guò)控制施加外加驅(qū)動(dòng)力的大小和施加速度來(lái)控制. 鑒于一般的微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)位移也是縱向的, 驅(qū)動(dòng)位移也不大, 故該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)與一般的微驅(qū)動(dòng)器在

10、驅(qū)動(dòng)方式上的兼容性極好. 該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的制備工藝可以用簡(jiǎn)單的光刻膠犧牲層常溫表面微加工工藝, 也可改用耐高溫的金屬犧牲層技術(shù)制備, 因而其在工藝上與各種微驅(qū)動(dòng)器也能有很好的兼容性. 可見(jiàn), 該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)具有與各種類(lèi)型的微驅(qū)動(dòng)器協(xié)同構(gòu)成永磁雙穩(wěn)態(tài)M EMS 器件的潛力. 借助此類(lèi)永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu), 與電磁型微驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合制備, 我們已經(jīng)制備出了電磁型永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器. 同理, 此永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)也可以與其他電熱、靜電等類(lèi)型的微驅(qū)動(dòng)器聯(lián)用構(gòu)成永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器.3雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的建模與仿真分析扭梁懸臂梁支撐的永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的等效磁路如圖2所示, 每一個(gè)穩(wěn)態(tài)的磁回路都由“永磁體2扭梁2懸臂梁2觸點(diǎn)2下軟磁回

11、路2永磁體”構(gòu)成.圖2永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的等效磁路圖:永磁體磁激勵(lì)力; R p :永磁體磁阻; R t :扭梁磁阻; R c1, R c2:懸臂梁磁阻; R a1, R c2:氣隙磁阻; R m1, R m2:軟磁回路磁阻; 0:永磁體磁通; 1, 2:回路1,2中的磁通; 01, 02:氣隙1,2中的磁通Fig. 2Equivalent magnet path diagram of permanent magnet bistable structure基于雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造及其等效磁路, 我們對(duì)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的單側(cè)觸點(diǎn)位移與機(jī)構(gòu)的勢(shì)能的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析.假定機(jī)構(gòu)的金屬材料的懸梁為理想彈性. 機(jī)構(gòu)的勢(shì)

12、能包括扭梁形變所儲(chǔ)存的機(jī)械勢(shì)能和機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)勢(shì)能. 記該側(cè)觸點(diǎn)水平時(shí)的位移s 為0.機(jī)構(gòu)的扭梁形變后存儲(chǔ)的機(jī)械勢(shì)能大小可以等效表示為:441第1期姜政等:扭梁懸臂梁支撐的扭擺式M EMS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)N =2K2(s =2K arctan 2L其中K 為等效的扭轉(zhuǎn)常數(shù); s 為氣隙高度; L 為懸梁長(zhǎng)度.對(duì)于磁穩(wěn)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)中閉合磁路, 沿其對(duì)磁場(chǎng)H 進(jìn)行線積分得到磁動(dòng)勢(shì):F MM =H L m +H s s其中H 與H s 分別為磁路和氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度; L m和s 分別為磁路和氣隙的長(zhǎng)度.結(jié)合分析氣隙中的磁通量, 可以獲得該機(jī)構(gòu)中存儲(chǔ)的磁勢(shì)能:W (F MM , s =22s +L m其中A

13、為觸點(diǎn)面積.因此機(jī)構(gòu)的勢(shì)能u 為: u=2K arctan 2L-22a +s +L m-22a -s +L m , s (-a , 02K arctan 2 L-22a -s +L m-22a +s +L m, s (0, a 以典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入上式求解, 可得如圖3 所示的單側(cè)觸點(diǎn)位移s 與機(jī)構(gòu)勢(shì)能u 的關(guān)系. 從中可見(jiàn), 機(jī)構(gòu)的該側(cè)觸點(diǎn)從水平位置逐漸運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定的臨界點(diǎn)時(shí), 由于機(jī)構(gòu)機(jī)械勢(shì)能快速上升, 磁勢(shì)能緩慢下降, 使得機(jī)構(gòu)勢(shì)能逐漸上升達(dá)到峰值; 該側(cè)觸點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)超過(guò)此臨界點(diǎn)后, 機(jī)構(gòu)機(jī)械勢(shì)能上升較慢, 機(jī)構(gòu)的磁勢(shì)能迅速下降, 使得機(jī)構(gòu)勢(shì)能呈迅速下降趨勢(shì); 當(dāng)該機(jī)構(gòu)的單側(cè)觸點(diǎn)位移達(dá)

14、到向上或向下的最大位移(止停位置 時(shí), 機(jī)構(gòu)的勢(shì)能達(dá)到最小值; 當(dāng)觸點(diǎn)達(dá)到止停位置后便無(wú)法產(chǎn)生進(jìn)一步位移, 此時(shí)若強(qiáng)行壓擠觸點(diǎn), 機(jī)構(gòu)的勢(shì)能將急劇上升. 根據(jù)能量最低原理, 勢(shì)能最低的狀態(tài)最穩(wěn)定. 因此當(dāng)該側(cè)觸點(diǎn)位移處于止停位置的時(shí)候, 機(jī)構(gòu)的勢(shì)能最低, 這是機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài). 由于止停位置兩側(cè)的勢(shì)能曲線都比較陡峭, 如要打破此穩(wěn)態(tài), 需克服的勢(shì)能勢(shì)壘較高, 所圖3觸點(diǎn)位移與勢(shì)能關(guān)系圖Fig. 3Relationship between the replacement and theenergy at the contact以機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)是比較穩(wěn)定的; 在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)切換時(shí), 對(duì)觸點(diǎn)施加驅(qū)動(dòng), 使得

15、該側(cè)觸點(diǎn)位移超過(guò)另側(cè)臨界點(diǎn), 機(jī)構(gòu)的勢(shì)能越過(guò)勢(shì)壘, 機(jī)構(gòu)便可切換到另一個(gè)穩(wěn)態(tài). 因此該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)功能在理論上是可以實(shí)現(xiàn)的.為了使永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)能獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能, 其在結(jié)構(gòu)上有諸多講究. 雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在有限的尺寸范圍內(nèi)需獲得較大的吸附力和驅(qū)動(dòng)位移, 同時(shí)也需獲得較好的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、導(dǎo)磁率和電導(dǎo)率. 因此我們使用最大磁能積(B H max 為180kJ /m 3的高強(qiáng)度永磁體磁片提供吸附力. 根據(jù)仿真結(jié)果, 實(shí)際需要的永磁體磁片厚度僅需數(shù)十微米即可, 但鑒于永磁體磁片采用普通切片工藝進(jìn)行加工并需將其組裝嵌入到下軟磁回路中, 為了便于加工與組裝小尺寸永磁體磁片, 取永磁體磁片厚度為200

16、m ; 使用Fe 含量為19%的電鍍坡莫合金作為下軟磁回路、懸臂梁和扭梁的軟磁材料; 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)一側(cè)處于穩(wěn)態(tài)時(shí), 為了使其穩(wěn)定吸附并維持較低的接入電阻, 該側(cè)觸點(diǎn)處的吸附力應(yīng)大于10N 8, 而開(kāi)路的另一端的氣隙高度應(yīng)大于20m 以保證絕緣性; 同時(shí), 整個(gè)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能小. 經(jīng)反復(fù)仿真與驗(yàn)證, 得到了如表1的合理結(jié)構(gòu)尺寸.表1永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸Table 1Structure dimension of the permanent magnetbistable structure結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸/m懸臂梁寬度, w 100懸臂梁長(zhǎng)度, L c 695扭梁寬度, d 30扭梁長(zhǎng)度,

17、 L t 300梁厚度, B 10基臺(tái)高度, t 15永磁體寬度, b 480永磁體長(zhǎng)度, L 620永磁體厚度, a200依據(jù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸, 運(yùn)用ANS YS 有限元分析軟件對(duì)一端閉合吸附的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了磁場(chǎng)分布分析和Maxwell 磁力分析, 得到了如圖4和5所示的機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)分布和磁力分布情況. 從中可見(jiàn), 機(jī)構(gòu)中懸梁處的磁場(chǎng)強(qiáng)度較均勻地分布為10-6T , 而閉合端懸臂梁的磁力沿著懸梁路徑的分布的最大磁力出現(xiàn)在閉合觸點(diǎn)處, 其平均大小為115×10-7N ,541半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第27卷累積計(jì)算閉合觸點(diǎn)處1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁場(chǎng)吸附力可 得閉合觸點(diǎn)處的磁場(chǎng)吸附力為115×1

18、0-5N , 這與觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)閉合后懸臂梁的空間位置以及磁路分布情況是吻合的. 另對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)結(jié)構(gòu)分析, 可得:機(jī)構(gòu)扭梁的回復(fù)力為1×10-12N. 因此可認(rèn)為在觸點(diǎn)處的吸附力即為磁場(chǎng)吸附力15 N. 圖4一端閉合的永磁雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig. 4Magnetic intensity distributing of permanentmagnet bistable structure with one sideclosed 圖5一端閉合的永磁雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的閉合端懸臂梁的沿著懸梁路徑分布的磁力細(xì)化圖Fig. 5Magnetic force distributing of perm

19、anent mag 2net bistable structure with one side closed along with cantilever beam4微加工實(shí)驗(yàn)制備本永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)主要運(yùn)用了非硅表面微加工技術(shù). 其工藝流程如圖6所示.本永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的制備在玻璃基片上進(jìn)行. 在經(jīng)清洗烘干的玻璃基片上濺射厚度為30nm 的Cr 膜和厚度為80nm 的Cu 膜作為后繼的電鍍種子層(圖6(a . 濺射的Cr 膜可以有效地增強(qiáng)后繼結(jié)構(gòu)與基片的結(jié)合力, 濺射的Cu 膜可以便于后繼電鍍工藝的開(kāi)展.然后涂覆5m 厚的光刻膠, 光刻出電極和下軟磁回路的圖形, 按表2的工藝條件電鍍FeNi 合金獲

20、得下軟磁回路和外接電極. 涂覆15m 厚的光刻膠, 光刻出基臺(tái)的圖形, 電鍍FeNi 合金獲得基臺(tái)(圖6圖6永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)制備工藝流程(a 濺射電鍍種子層; (b 光刻并電鍍制備下軟磁回路和基臺(tái); (c 濺射電鍍種子層; (d 光刻并電鍍制備懸梁; (e 去除光刻膠和電鍍種子層; (f 插入永磁體獲得穩(wěn)態(tài)Fig. 6Technical flow chart of permanent magnet bi 2stable structure(b . 電鍍獲得的FeNi 合金性能如表3所示, 從中可以發(fā)現(xiàn)FeNi 合金的機(jī)械性能、磁學(xué)性能和電學(xué)性能都較好.表2電鍍FeNi 合金工藝條件Table 2

21、Technical conditions of FeNi alloy electroplating成份/參數(shù)含量/條件Ni 2+11. 7g/L Fe 2+0. 59g/L H 3BO 325. 0g/L 糖精1. 0g/L 溫度30±2p H 值2. 8±0. 2電流密度1. 0A/dm 2表3電鍍FeNi 合金性能指標(biāo)Table 3FeNi alloy s performances 性能指標(biāo)楊氏模量, E 1. 8×1011N/m 2拉伸強(qiáng)度, T 1. 9×109N/m 2矯頑力, F 4A/m 剩余磁通密度, B r 0. 5T 飽和磁通密度,

22、B s 0. 86T 相對(duì)磁導(dǎo)率, 105電阻率,1. 6×10-7m將基片低溫烘干, 濺射Cr/Cu 電鍍種子層(圖6(c . 低溫烘干是為了將光刻膠中含有的溶液和氣體基本烘除, 避免在后繼過(guò)程中有氣體逸出致使鍍層開(kāi)裂.涂覆10m 厚的光刻膠, 光刻出懸臂梁和扭梁641第1期姜政等:扭梁懸臂梁支撐的扭擺式M EMS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的圖形, 電鍍FeNi 合金獲得懸臂梁和扭梁(圖6 (d . 此時(shí)通過(guò)仔細(xì)控制電鍍的電流密度等工藝條件可以消除內(nèi)應(yīng)力, 避免后繼過(guò)程中懸空的懸臂梁和扭梁彎曲變形.依次去除最上層的光刻膠、中間的電鍍種子層、下層的光刻膠和底層的電鍍種子層(圖6(e . 需要指

23、出的是:此時(shí)應(yīng)該采用稀釋的腐蝕液濕法去除電鍍種子層, 以免速度過(guò)快, 生成難去物, 破壞結(jié)構(gòu).在下軟磁磁路中組裝嵌入切割好的永磁體磁片(圖6(f . 應(yīng)使磁片的磁極方向與磁路磁通流向一致以有效利用磁通.5測(cè)試與應(yīng)用5. 1雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的尺寸該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)尺寸為119mm ×116mm ×0103mm , 永磁體磁片的尺寸為016mm ×015mm ×012mm. 與一般微型繼電器幾立方厘米的體積比較, 此雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的尺寸是相當(dāng)小的, 所以如將此雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)應(yīng)用到微繼電器中會(huì)對(duì)繼電器的微型化有積極意義. 與毫米見(jiàn)方的M EMS 器件相較, 此雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的尺寸比較

24、匹配, 因此該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)與M EMS 繼電器在尺寸上有較好的兼容性. 5. 2雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)姿態(tài)保持功耗圖7(a 為永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的一端懸臂梁下壓時(shí), 該端觸點(diǎn)與下磁路、外接電極閉合的電鏡照片. 從局部放大圖可以清楚地看到永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)呈一端閉合一端開(kāi)路的穩(wěn)態(tài). 通過(guò)在顯微鏡下用探針輕微點(diǎn)擊懸梁觸點(diǎn)可自如地切換到如圖7(b 所示的另一個(gè)穩(wěn)態(tài). 在此兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)中, 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)均未借助外力而實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗姿態(tài)保持, 即永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)姿態(tài)保持功耗為0.電鏡照片圖中永磁體周?chē)鷪D像發(fā)生扭曲是因?yàn)殡婄R的電子束接近永磁體時(shí)發(fā)生扭曲.通過(guò)對(duì)該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)施加手工晃動(dòng)擾動(dòng)來(lái)測(cè)試穩(wěn)態(tài)時(shí)觸點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)保持效

25、果. 經(jīng)測(cè)試表明, 該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)能夠抵擋大幅度的晃動(dòng)擾動(dòng)而保持穩(wěn)態(tài). 這表明該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在一些具有擾動(dòng)的環(huán)境下也適用.5. 3雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)切換力通過(guò)使用S/N62140型納米壓入硬度測(cè)試儀對(duì)該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的翹起一端的觸點(diǎn)施加微壓力來(lái)測(cè)量穩(wěn)態(tài)切換力. 測(cè)量采用的納米硬度壓痕儀所能施加的最小力為011mN. 經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明, 當(dāng)懸臂梁一端下壓, 該側(cè)觸點(diǎn)閉合時(shí), 在另外翹起一端的觸點(diǎn)處通過(guò)探針施加011mN的微壓力可以自如地對(duì)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)圖7(a 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的一個(gè)穩(wěn)態(tài); (b 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的另一個(gè)穩(wěn)態(tài)Fig. 7(a One stable state of the permanent magnet

26、 ; (b Anothor stable state of the permanent magnet bi 2stable structure構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)切換. 雖然我們對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)切換力難以進(jìn)一步量化, 但測(cè)試已經(jīng)表明該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)切換力小于011mN , 而模擬分析得到的穩(wěn)態(tài)切換力15N 也確實(shí)低于011mN , 此穩(wěn)態(tài)切換力顯著低于一些微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力. 因此該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)在與微驅(qū)動(dòng)器聯(lián)用構(gòu)成微繼電器方面具備可行性. 5. 4雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)電學(xué)性能對(duì)永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了電學(xué)性能測(cè)試. 運(yùn)用Agilent4156C 精密半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)處于穩(wěn)態(tài)下的機(jī)構(gòu)的閉合端進(jìn)行電阻測(cè)試結(jié)果為0101, 這

27、表明該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)接入電阻較小; 對(duì)機(jī)構(gòu)的開(kāi)路端進(jìn)行電阻測(cè)試結(jié)果為絕緣, 這表明該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)開(kāi)路電阻較大. 同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)的開(kāi)路端進(jìn)行30V 電壓加壓測(cè)試, 機(jī)構(gòu)未擊穿, 這表明該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)耐壓性能較好. 由上可見(jiàn)該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的電學(xué)性能良好, 能滿(mǎn)足常規(guī)電路對(duì)器件的要求.741148 半 導(dǎo) 體 學(xué) 報(bào) 第 27 卷 5. 5 應(yīng)用 將此類(lèi)永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)與微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合制 備可以獲得永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器 . 如圖 8 ( a 所示 , 我們已經(jīng)將其與電磁驅(qū)動(dòng)器聯(lián)合制備獲得了電磁型 永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器 , 其性能良好 . 圖 8 ( b 是電磁 型永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器的響應(yīng)測(cè)試曲線 . 結(jié)果表明 其借助

28、于永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)切換響應(yīng)功 能 . 由此可見(jiàn)永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)具有良好的實(shí)用性 . (a ( b 圖 8 (a 電磁型永磁雙穩(wěn)態(tài)微繼電器 ; ( b 電磁型永磁雙穩(wěn)態(tài) 微繼電器響應(yīng)測(cè)試曲線 6 結(jié)論 Fig. 8 ( a Elect romagnetism permanent magnet bista2 ble M EMS relay ; ( b Respo nd curve of elect ro magnet 2 ism permanent magnet bistable M EMS relay 我們?cè)O(shè)計(jì)分析和制備了扭梁懸臂梁支撐的扭擺 © 1995-2006 Tsingh

29、ua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式永磁 M EMS 雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試 . 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的總體尺寸為 11 9mm ×11 6mm × 01 03mm ,永磁體磁片的尺寸為 01 6mm ×01 5mm × 01 2mm. 借助插入的永磁體磁片的作用 , 永磁雙穩(wěn) 態(tài)機(jī)構(gòu)的任一穩(wěn)態(tài)均能實(shí)現(xiàn)無(wú)功耗姿態(tài)保持 . 對(duì)永 磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)施加低于 01 1mN 的驅(qū)動(dòng)力能 使該機(jī)構(gòu)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)間實(shí)現(xiàn)自由切換 . 穩(wěn)態(tài)切換時(shí) , 觸點(diǎn)位移為 30 m. 該機(jī)構(gòu)能很好地與各

30、種微驅(qū)動(dòng) 器聯(lián)用構(gòu)成 M EMS 微繼電器 . 參考文獻(xiàn) 1 Qiu Jin ,Lang J H ,Slocum A H ,et al . A high2current elect ro2 t hermal bistable M EMS relay. IEEE The Sixteent h Annual tems ,2003 :64 2 Wang Ye ,Li Zhihong , McCormick D T ,et al . A micro mach2 ined RF microrelay wit h elect rot hermal act uation. Sensors and Act u

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34、ternational Conference on Micro Elect ro Mechanical Sys2 第1期 姜 政等 : 扭梁懸臂梁支撐的扭擺式 M EMS 永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu) 149 J iang Zheng , Ding Guif u , Wang Yan , Zhang Do ngmei , Wang Zhiming , and Feng J ianzhi ( M icro/ N ano S cience & Technolog y Research I nstit ute , S hang hai J i aotong Uni versit y , S hang ha

35、i 200030 , Chi na Abstract : After feasibility analysis and parameter optimizatio n ,a teeterboard pattern M EMS permanent magnet bistable st ruc2 t ure suppo rted by a to rsio n and cantilever beam is fabricated wit h sacrificial layer technology of no n2silicon surface micro fabri2 cation. The size of t he bistable