闭锁电热双稳态微开关研究

论文摘要

MEMS继电器或开关类器件,具有线性度好、响应时间快、体积小以及便于批量制造等一系列优点。鉴于此,本文提出了一个利用双层膜效应实现电热驱动,利用悬梁交错锁定的闭锁机构实现无功耗稳态保持的微开关。这个设计充分发挥了电热微驱动器,驱动力大,能量密度高,以及与IC制造兼容等优点。我们利用微机械加工工艺,利用多元材料组合,成功实现了电热微开关的集成制造,并且测试了其性能。本文完成的主要研究工作和结论包括以下几个方面:本文提出了一种利用悬梁交错锁定实现无功耗稳态保持的电热微开关,完成了该器件的原型设计和结构参数优化,从理论分析的角度阐述了该微开关设计的合理性和可行性。提出了两种材料体系的电热微开关,一种是基于硅基的镍和二氧化硅组合,另一种是基于聚合物基的镍和电泳漆组合;并且分别利用体硅刻蚀工艺和铜牺牲层表面微加工工艺,成功地完成了电热微开关整体的集成制造。总体而言,两种工艺途径各有优劣,硅基的器件,二氧化硅梁的成品率较低,但器件与设计吻合较好,聚合物基的器件成品率很高,但是应力较大并且不易控制,双层膜结构容易出现分层。本文还重点研究了与微开关制备密切相关的某些单项工艺,主要研究了锌牺牲层工艺和聚合物电泳沉积及图形化工艺。主要分析了分别通过硫酸盐、氯化物和碱性镀液三种镀液沉积的锌的表面形貌、内应力、分散能力以及微观分散能力;重点研究了酸性镀锌液的掩膜电镀均匀性,并利用有限元仿真和电化学交流阻抗谱（EIS）从电场角度初步探讨和分析了机理。探索了电泳沉积作为微加工工艺中一种聚合物沉积和图形化的方法,研究的内容主要包括电泳漆的沉积参数控制,通过掩膜电泳实现图形化沉积,多面涂覆性研究,以及与金属镍的结合强度测试,测得的电泳漆/镍的结合强度是SU-8胶/镍的10倍。最后我们通过光学显微镜、扫描电子显微镜以及Veeco光学轮廓仪等,观察了微开关的静态特征。利用Veeco和脉冲电源对微开关进行了通电测试,利用Bond tester对微开关进行了机械性能测试,测试的结果表明所制备的悬梁交错锁定的闭锁机构实现了设计的双稳态性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS简介
• 1.1.1 MEMS的主要加工技术
• 1.1.2 MEMS的应用和发展前景
• 1.2 微继电器/开关的研究现状
• 1.2.1 静电驱动式微继电器
• 1.2.2 电磁驱动式微继电器
• 1.2.3 电热驱动式微继电器
• 1.3 本课题研究的主要意义和内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 电热微开关结构设计与分析
• 2.1 电热微开关整体设计和分析
• 2.1.1 电热微开关的整体结构
• 2.1.2 电热微开关的工作原理
• 2.2 双层膜电热微驱动器的设计
• 2.2.1 双层膜的材料选择
• 2.2.2 双层膜电热微驱动器的力学分析
• 2.2.3 双层膜电热微驱动器的电热分析
• 2.2.4 双层膜电热微驱动器的有限元仿真分析
• 2.3 闭锁机构的简化机械模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 电热微开关制备工艺
• 3.1 MEMS基础工艺
• 3.1.1 光刻
• 3.1.2 溅射
• 3.1.3 电镀
• 3.1.4 刻蚀
• 3.2 锌牺牲层工艺的研究
• 3.2.1 三种镀锌液配比和反应条件
• 3.2.2 表面形貌
• 3.2.3 内应力
• 3.2.4 分散能力
• 3.2.5.微观分散能力
• 3.2.6 锌牺牲层的叠层腐蚀试验
• 3.3 聚合物电泳沉积及其图形化的研究
• 3.3.1 电泳沉积的基本原理
• 3.3.2 电泳漆的沉积工艺参数
• 3.3.3 电泳漆的图形化
• 3.3.4 电泳漆-金属镍的界面
• 3.3.5 电泳漆-金属镍的结合强度
• 3.4 集成式电热微开关制备工艺
• 3.4.1 硅基器件制备工艺
• 3.4.2 聚合物基器件制备工艺
• 3.5 本章小结
• 第四章 电热微开关的性能测试
• 4.1 电热微开关的静态观察
• 4.1.1 聚合物基电热微开关的静态观察
• 4.1.2 硅基电热微开关的静态观察
• 4.2 电热微开关的动态测试
• 4.3 电热微开关的机械性能测试
• 4.4 电热微开关双稳态性能的观察
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究内容和结论
• 5.2 主要创新点
• 5.3 展望与下一步研究设想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和专利
• 附件