ТЕПЛОВОЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР

Полезная модель относится к области микросистемной техники и может быть использована при создании и изготовлении микромеханических устройств, содержащих упругие гибкие деформируемые исполнительные элементы, обеспечивающие преобразование «электрический сигнал - перемещение» и/или «изменение температуры - перемещение» для микроробототехнических систем.
Известно устройство, выполненное в виде сформированной в меза-структуре упругошарнирной консольной балки, состоящей из параллельных вставок одинаковой ширины из монокристаллического кремния, соединенных полимерными прослойками, образованными пленкой на основе эпоксидной композиции SU 8, слоя алюминиевого нагревателя и металлизации [1]. Недостатками известного технического решения являются низкая надежность при функционировании микроактюатора в широком диапазоне температур из-за недостаточной адгезионной прочности на межфазных границах раздела и резкого снижения прочности эпоксидного полимера при температурах жидкого азота и повышенных температурах, малые углы отклонения и развиваемые усилия, сильно зависящие от конструкционной жесткости балки, что ограничивает области применения микроактюатора. Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту техническим решением является тепловой биморфный микромеханический актюатор в виде сформированной в меза-структуре упругошарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния, соединенных прослойками, образованными полимерной пленкой на основе фотополиимида типа HTR 3-200, нагревателя на плоской поверхности вставок и металлизации нагревателя на основе алюминия, сформированной на всей поверхности трапециевидных вставок [2].
Недостатком известного устройства является ограничение диапазона первоначального угла отклонения упругошарнирной консольной балки микромеханического актюатора температурой имидизации полиимида, что в свою очередь приводит к нестабильности процесса изготовления микромеханического актюатора.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей теплового микромеханического актюатора, а именно расширение диапазона угла отклонения упругошарнирной консольной балки теплового микромеханического актюатора.
Эта задача решается за счет того, что в тепловом микромеханическом актюаторе, содержащем кремниевую монокристаллическую пластину с ориентацией [100] с меза-структурой, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, соединенных полипиромеллитимидными прослойками, нагревателя и металлизации нагревателя, с обратной стороны монокристаллической пластины сформированы V-образные канавки напротив параллельных трапециевидных вставок.
Формирование V-образных канавок напротив параллельных трапециевидных вставок утоняет актюатор и тем самым расширяет диапазон первоначального угла отклонения упругошарнирной консольной балки микромеханического актюатора. Сформированные V-образные канавки не ухудшают технологичность конструкции, так как формирование проводится одновременно. Сформированные V-образные канавки не ухудшают воспроизводимость и стабильность процесса изготовления, так как формирование V-образных канавок проводится заодно за одну технологическую операцию с параллельными трапециевидными вставками.
Предложенный тепловой микромеханический актюатор иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1.
На фиг. 1 изображен тепловой микромеханический актюатор в поперечном сечении, где:
1 - монокристаллическая кремниевая пластина,
2 - V-образные канавки или трапециевидные канавки,
3 - параллельные трапециевидные вставки из монокристаллического кремния,
4 - внешний слой полипиромеллитимида.
Тепловой микромеханический актюатор состоит из пластины монокристаллического кремния 1, в которой сформированы параллельные трапециевидные вставки из монокристаллического кремния 3. С другой стороны пластины сформированы V-образные канавки 2. Одна сторона пластины покрыта слоем полипиромеллитимида 4. Между V-образными канавками сформированы нагреватели (не показано). Тепловой микромеханический актюатор изготавливается при помощи высокопрецизионных процессов микроэлектроники. Точность формирования V-образных канавок или трапециевидных канавок, их линейных размеров, определяется высокоточным оборудованием, применяемым для изготовления интегральных микросхем, и составляет десятые и сотые доли микрона. Использование групповых технологий позволяет одновременно с высокой точностью обрабатывать десятки пластин монокристаллического кремния.
При изготовлении теплового микромеханического актюатора его упругошарнирная консольная балка находится в деформированном состоянии, причем угол отклонения свободного конца балки зависит от предельной температуры имидизации полиимида и сформированных V-образных канавок или трапециевидных канавок. При изменении температуры, вызванной внешним воздействием и/или нагревом за счет теплового действия электрического тока, протекающего через нагреватель при включении в электрическую цепь, происходит упругая деформация упругошарнирной консольной балки. Деформация и угол отклонения упругошарнирной консольной балки либо уменьшается (при нагреве) либо повышается (при охлаждении). Зависимость угла отклонения от температуры носит линейный характер. Сформированные V-образные канавки или трапециевидные канавки напротив параллельных трапециевидных вставок утоняют актюатор. Изменяется жесткость на изгиб - уменьшается. Соответственно угол отклонения упругошарнирной консольной балки при воздействии температуры от нагревателя имеет более широкий диапазон по сравнению с прототипом. Таким образом, предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности теплового микромеханического актюатора.
Источники информации
1. Wei, T. Chu Due, G.K. Lau, P.M. Sarro, Novel electrothermal bimorph actuator for large out-of-plane displacement and force, IEEE MEMS 2008, Tucson, Arizona, USA, Jan 13-17, 2008, pp. 46-49.
2. Патент РФ №2 448 896 - прототип.