Термические (биметаллические, или биморфные) микроактюаторные и микросенсорные элементы

Принцип действия таких актюаторов основан на преобразовании энергии нагревания в механическую силу деформирования элемента, сочетающего два разнородных материала с различными термическими коэффициентами расширения и заданной теплоемкостью и теплопроводностью, обеспечивающими требуемое изменение температуры и, соответственно, требуемое время отклика. Это делает их простой альтернативой актюаторам для МЭМС и НЭМС, работающим на других принципах. Уменьшение масштаба облегчает достижение нужных эффектов в термических актюаторах, хотя теплообмен в микро- и наномасштабе в них может создавать определенные проблемы. Однако, сочетание способности таких актюаторов создавать значительные усилия и смещения при сравнительно малых разностях температур обусловливает большой интерес, проявляемый к ним [16,37]. Они представляют собой обычный упругий элемент, балка которого, состоящая из двух тонких слоев разнородных материалов, например, допированного кремния и его диэлектрических производных (оксидов или нитридов) или кремния и благородных металлов (золота, платины), одновременно выполняет функцию упругого элемента и актюатора. В случае консольной балки длиной l, шириной в и толщиной а смещение ее конца (прогиб) Δz при изменении температуры на величину ΔТ и равномерном распределении тепла определяется соотношением [37]: (38), где α – термический коэффициент линейного расширения, . Индекс 1 относится к слою с меньшим значением термического коэффициента расширения α, 2 – с большим. Радиус кривизны балки определяется по нейтральной оси, лежащей на границе раздела слоев, причем, при α₁›α₂, слой 1 располагается с вогнутой стороны, а слой 2 – с выпуклой. Из этого соотношения видно, что из-за достаточно малой разности термических коэффициентов и модулей упругости используемых материалов основные возможности в получения заданного смещения конца балки лежат в варьировании ее геометрических параметров, в первую очередь, длины и толщины. Анализ этого уравнения показывает, что максимальная величина z наблюдается при одинаковых минимальных значениях толщины а и ширины в обоих слоев и максимальной длине балки. При а₁=а₂=в₁=в₂=а уравнение принимает вид: . Развиваемое при этом усилие на ее конце может быть рассчитано через коэффициент жесткости : , где Е* - эффективный модуль упругости двухслойной балки, который, в первом приближении, рассчитан по простому правилу аддитивности с учетом долей толщины слоев в общей толщине , где и . Из общего скейлингового (масштабного) анализа этого соотношения следует, что масштабный коэффициент термической упругой силы равен 2, т.е. изменение силы, при прочих заданных условиях, пропорционально квадрату произвольно выбранного линейного масштабного параметра [ L² ].

Аналогично эффективному модулю упругости двухслойной балки, без учета эффекта границы раздела между слоями, по правилу аддитивности могут быть рассчитаны параметры внутреннего структурного и другие ее свойства по соответствующим свойствам слоев и их долям.

Очевидно, что при статических условиях работы для поддержания заданной температуры балки необходимы минимальные теплопотери. Наоборот, при динамических условиях необходима максимальная скорость теплоотвода, чтобы тепловая постоянная времени, соответствующая времени отклика , где G и Н – теплопроводность и теплоемкость структуры соответственно, не превышала периода колебаний. Если исключить конвективный теплообмен и учитывать только ИК-излучение, то это время может быть определено по уравнению Стефана-Больцмана: , где m и с_р – масса балки и аддитивная удельная теплоемкость ее материалов соответственно; σ_в – константа, равная 5,67х10^-8 Вт/м²К⁴, ε_m – излучательная способность материала, А – площадь поверхности, Т₀ – начальная температура. Расчеты показывают, что в наномасштабе можно получить тепловую постоянную времени в пределах , что позволит использовать тепловую активацию в наносистемах. Трудной проблемой при этом становится создание теплового импулься. Более перспективным по сравнению с нагревом за счет омического сопротивления рассматривается использование радиационного нагревания, например, за счет лазерных импульсов [7].

Важное значение при разработке и использовании термических биметаллических актюаторов, особенно при их работе в динамических условиях, имеет проблема их усталостной выносливости и долговечности, обусловленная частым перепадом температур и высоким уровнем возникающих напряжений и изгибных деформаций при наличии границы раздела между неоднородными материалами.

Главным преимуществом подобного рода актюаторов является самодостаточность структуры, т.е. нет необходимости в каком бы, то ни было внешнем воздействии (механическом или магнитном) для отклонения структуры.

К недостаткам подобного актюатора можно отнести большой радиус кривизны балки актюатора при изгибе и плохое управление положением балки в пространстве [15, 16]. Уменьшить радиус кривизны изогнутой балки структуры можно за счет использования очень тонких, но при этом хрупких структур. Меньший радиус кривизны и большее смещение балки необходимое для контроля положения структуры в пространстве, так же достигается комбинированием в структуре двух различных полиимидных слоев с различным ТКЛР [17-20]. Применение полиимида при изготовлении микроприводов не ограничивается использованием его в качестве слоистой структуры в биморфных актюаторах. Полиимид также возможно использовать в качестве шарнирного участка балочной структуры, что и нашло отражение в конструкции привода с полиимидными V-образными канавками. Техника полиимидного микросоединения для конструкции актюатора с полиимидными V-образными канавками основана на эффекте усадки полиимидного материала за счет испарения воды и растворителя при его отверждении во время термообработки. Для применения в микроэлектронике зачастую желательна небольшая усадка полиимидного материала, т.к. большой процент усадки приводит к сильной деформации материала и возникновению внутренних механических напряжений. Большинство существующих сейчас полиимидов имеют величину усадки менее 30% между не термообработанным и полностью термообработанным состоянием материала (ТКЛР полиимидов < (30 – 40) ppm/ ⁰C). В зависимости от того, где полиимид применяется, основная усадка может проходить либо в горизонтальном направлении (например, при заполнении V-образных канавок), либо в вертикальном направлении (например, сокращение высоты при нанесении полиимида на горизонтальную поверхность). При селективном травлении кремниевых пластин с ориентацией поверхности вдоль плоскостей {100} в KOH, вытравливается V-образная канавка с углом между плоскостями {100} и {111}равным 54,74⁰ (рис. 10 а). Вытравленную V-образную канавку заполняют полиимидом, который при отжиге полиимидного слоя дает усадку. Абсолютная длина сокращения полиимида в верхней части V-образной канавки больше, чем в нижней части (εּa>εּb), что приводит к повороту, который сгибает свободно расположенную (не закрепленную) структуру (рис. 10б).

Рис. 13 - Конструкция термомеханического балочного актюатора с V-образными полиимидными канавками (а – до «усадки», б – после «усадки» слоя полиимида).

Большие углы отклонения балки привода при использовании конструкции с V-образными полиимидными канавками можно получить при соединении отдельных V-образных канавок в серии. В этом случае угол отклонения балки, будет пропорционален количеству V-образных полиимидных канавок в структуре. Отклонение балки привода за счет процессов усадки полиимида характеризует собой статический режим работы актюатора с полиимидными V-образными канавками. Однако, представленная техника микросоединения, может использоваться не только для хорошо контролируемого отклонения балки микропривода в пространстве, но и для хорошо контролируемого перемещения балки. Для этого применяется динамический режим работы привода. Динамический режим и динамическое отклонение балки привода – результат термического расширения полиимида после его усадки за счет нагрева. Вследствие нагрева и увеличения температуры происходит расширение полиимида и динамическое изменение угла отклонения балки. Таким образом, динамический режим может быть использован при изготовлении актюаторов, а так же для уменьшения угла статического отклонения в целях компенсации, нежелательного процесса вариации угла сгиба [25].

Для изготовления термомеханических актюаторов используют различные комбинации стандартных материалов электронной техники. Общепринятым является использование алюминия, хрома или золота, имеющих сравнительно высокий ТКЛР (10 - 25 ppm / °C) в комбинации с кремнием, поли-кремнием, диоксидом кремния или нитридом кремния, которые имеют низкий ТКЛР (< 3 ppm / °C) [12]. Другим привлекательным материалом является полиимид. Различные полиимидные слои могут иметь ТКЛР от очень низкого (< 5 ppm / °C), до очень высокого (> 50 ppm / °C), что дает возможность изготовления биморфных структур на основе полиимидных слоев. При нагреве температура каждого из слоев возрастает на ∆Т и каждый из слоев испытывает деформацию, описываемую соотношением: ε_i = α_iּ∆Т, где ε_i - деформация i - го слоя; α_i - ТКЛР i - го слоя; ∆Т – изменение температуры слоя.

Если в конструкции актюатора увеличить количество слоев, например, до трех (поли-кремний / оксид / поли-кремний), то можно получить структуру имеющую два стабильных положения: вне плоскости подложки и в плоскости подложки [13, 14]. Преимущество данного актюатора перед другими биморфными структурами состоит в том, что оба стабильных положения можно получить без какого-либо потребления энергии для поддержания структуры в каждом из них. Другие термомеханические биморфные структуры нуждаются в питании постоянным током (т.е. постоянной температуре) для поддержания структуры в отклоненном состоянии. Данный привод может быть переключателем между двумя положениями за счет неравномерного термического расширения в результате ассиметричного нагрева электрическим током.

Таким образом, привлекательность термомеханических актюаторов основана на простоте их конструкции (зачастую, для изготовления актюатора необходима слоистая пленочная структура для возникновения биморфного эффекта). С другой стороны, термомеханические микроактюаторы стали привлекательными из-за квадратичного увеличения скорости перемещения с уменьшением размеров (формула Фурье для микродиапазона). Кроме того, термомеханические актюаторы с полиимидными V-образными канавками обеспечивают хороший контроль перемещения балки актюатора в пространстве. В качестве материалов балки возможно использование любых материалов достаточной прочности с сильно различающимися коэффициентами температурного линейного расширения.

Наряду с термомеханическими актюаторами эффективно используются биморфные микрокантилеверные детекторы, в частности термодетекторы, с емкостной сенсорной системой. На рис. 11 схематически показаны сечение и принцип действия биморфного микрокантилеверного ИК термодетектора. Микрокантилевер механически и электрически связан с кремниевой подложкой с помощью анкерного крепления, но термически изолирован от подложки аналогично терморезистивным микроболометрам. Поглощение ИК излучения обеспечивается слоем поглотителя и настройкой резонансной полости – пространства между балкой и подложкой с нанесенным на нее отражательным слоем для резонансного поглощения. Свободный конец балки отклоняется при нагревании вследствие возникновения термических напряжений в зоне биморфного механического преобразователя.

(а) (б)

Рис. 11. Общая схема и принцип действия микрокантилеверного ИК термодетектора с емкостной сенсорной системой в нормальном состоянии (а) и при воздействии ИК излучения (б): Infrared Absorber. Resonant Cavity – концевая часть балки со слоем поглотителя и подвижным электродом, соединенный с мостиковой (мостовой) схемой емкостной сенсорной системы, над резонансной полостью; Bimaterial Mechanical Convertor - биморфный механический преобразователь из слоев с различным ТКР;Thermal Isolation Region - теплоизолированная часть микрокантилевера; Fixed capacitor electrode – фиксированный электрод емкостной сенсорной системы; Capacitance Measuring Circuit – емкостная мостиковая (мостовая) схема; Infrared radiation – ИК излучение; Bent Cantilever Electrode - подвижный электрод на конце балки, соединенный с мостиковой (мостовой) схемой емкостной сенсорной системы; Aluminium Bimetal – слой алюминия; Titanium Nitride Film - слой нитрида титана; Substrate SiO₂/SiON – подложка из оксида/нитрида кремния; -отклонение конца балочной структуры.

Величина для такой системы может быть рассчитана по соотношению: , где L_p – длина биморфной части микрокантилевера, t₂ – толщина слоя второго материала; α₁, α₂ – ТКР основного и второго материалов и Т, Т₀ – конечная и начальная температура балки соответственно; К₀ – константа, учитывающая отношение толщин (х=t₁/t₂) и модулей упругости (n=E₁/E₂) слоев материалов, образующих микрокантилевер: .

В общем случае плоскопараллельной двухслойной консольной балки длиной L, шириной в и толщиной t смещение ее конца (прогиб) ΔZ при изменении температуры на величину ΔТ и равномерном распределении тепла определяется соотношением: , где индекс 1 относится к слою с меньшим значением термического коэффициента расширения α и большим модулем Юнга, а индекс 2 – наоборот. Радиус кривизны балки определяется по нейтральной оси, лежащей на границе раздела слоев, причем, при α₁＜α₂, слой 1 располагается с вогнутой стороны, а слой 2 – с выпуклой. Анализ этого уравнения показывает, что максимальная величина ΔZ наблюдается при одинаковых минимальных значениях толщины t и ширины в обоих слоев и максимальной длине балки. При t₁=t₂=в₁=в₂=t уравнение принимает вид: , где n=E₁/E₂ - отношение модулей упругости слоев материалов, образующих микрокантилевер. Расчеты показывают, что отклонение конца балочной структуры , состоящей из слоя оксида кремния (ТКР порядка 0,5х10^-6 К^-1) и слоя второго материала (алюминия) с ТКР, равным 23,6х10^-6 К^-1, составляет величину порядка 0,1 мкм на каждый градус изменения температуры.

Дата добавления: 2015-07-10