Полупроводниковый термомеханический микроактюатор

 

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и касается конструкции полупроводникового термомеханического микроактюатора. Технический результат - упрощение конструкции и обеспечение надежной работы в экстремальных условиях по температуре, а также разработка варианта конструкции, обладающего малой инерционностью. Сущность: микроактюатор содержит основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя. Исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния в виде одной детали, имеющей форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и касается конструкции полупроводникового термомеханического микроактюатора. Оно может быть использовано в конструкциях широкого класса микроманипуляторов - микрореле, микроклапанов, микронасосов, микромодуляторов светового потока и пр.

Известен термомеханический микроактюатор, содержащий основание, лазерный нагреватель, исполнительный элемент и связанную с ним биметаллическую пластину, установленную с возможностью изгибания под действием нагревателя для перемещения исполнительного элемента (DE 19943017, F 03 G 7/06/ 2000).

Однако известная конструкция обладает значительной инерционностью и сложностью изготовления элементов, передающих движение от биметаллической пластины.

В качестве основного элемента конструкции термомеханический микроактюатор может содержать термочувствительный элемент, обладающий эффектом памяти формы. В этом случае прибор содержит также исполнительный элемент и узел направленной нагрузки по созданию силы смещения исполнительного элемента относительно термочувствительного элемента (RU 2091611, F 03 G 7/06, 1997).

Однако данная конструкция обладает низкой надежностью и нетехнологична при изготовлении с помощью технологий микроэлектроники.

Наиболее близким к заявляемому является полупроводниковый термомеханический микроактюатор, содержащий основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя. При этом электрический нагреватель выполнен в виде отдельного элемента и сформирован по месту прикрепления подвижной пластины к раме. Для повышения упругости перемещаемых элементов и увеличения передаваемого усилия подвижные пластины по месту прикрепления к раме со стороны, противоположной электрическому нагревателю, покрыты слоем полиимидного флуоресцирующего каучука. Такое покрытие концов подвижных пластин создает под действием температуры эффект изгибания по аналогии с действием биметаллической пластины (JP 2000246676, B 25 J 7/00; B 25 J 19/00; B 62 D 57/00; F 03 G 7/06; F 16 K 31/02, 31/70; Н 01 Н 37/14,37/52).

Однако данная конструкция является сложной. Она принципиально непригодна для эксплуатации при высоких температурах, в частности, из-за разрушения каучука. Кроме того, конструкция обладает значительной инерционностью, что не позволяет ее использовать в качестве быстродействующего микроманипулятора, например, при модулировании соответствующего светового сигнала.

Технической задачей предлагаемого устройства является упрощение конструкции и обеспечение надежной работы в экстремальных условиях по температуре. Дополнительной задачей является разработка варианта конструкции, обладающего малой инерционностью.

Решение основной технической задачи заключается в том, что в конструкцию полупроводникового термомеханического микроактюатора, содержащего основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя, внесены следующие изменения: 1) исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния; 2) данные элементы выполнены в виде одной детали; 3) указанная деталь имеет форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигаемым результатом заключается в следующем. Карбид кремния обеспечивает стабильность технических характеристик целевого изделия при работе в области высоких температур. При этом, как проиллюстрировано далее, из карбида кремния может быть выполнен мостик, обладающий хорошей гибкостью и упругостью для того, чтобы дополнительно не использовать легко разрушаемого каучукового покрытия.

На фиг.1 и 2 приведены варианты конструкции четырехплечего и двуплечего предлагаемого микроактюатора; на фиг.3 приведена схема работы микроактюатора в режиме модуляции светового потока.

Микроактюатор в четырехплечем и двуплечем исполнениях (фиг. 1 и 2) включает основание, выполненное в виде рамы 1, мостик 2 с исполнительным элементом 3, представляющим собой центральный участок мостика 2, который перекинут через окно рамы 1 и изолирован от нее с помощью электроизоляционного покрытия 4. При изготовлении рамы 1 из электроизоляционного материала или покрытия 4 не требуется. Мостик 2 выполнен из карбида кремния. Его концы жестко связаны с противоположными сторонами рамы 1. При этом на концах мостика 2 выполнены металлические контактные пластины 5 для подключения к источнику электрического тока. В данной конструкции мостик 2 используется в качестве как подвижной пластины, так и электрического нагревателя и исполнительного элемента одновременно. При этом исполнительный элемент 3 оказывается подвешенным в окне рамы с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя.

Инерционность микроактюатора уменьшается с уменьшением отношения площади мостика 2 к площади окна рамы 1. Поэтому для работы на высокой частоте при низкой механической нагрузке наиболее целесообразным является двуплечий вариант (фиг.2).

Исполнительный элемент 3 состыковывают с управляемым объектом (микронасосом, микрореле и др.). На фиг.2 приведен вариант микроактюатора, предназначенный для модуляции светового потока. С этой целью в центре исполнительного элемента 3 сформирован отражатель света 6 в виде тонкой металлической пленки. На элемент 6 направлен луч от лазера 7, отражение которого регистрирует фотоприемник 8.

При прохождении электрического тока через мостик 2 последний прогибается в результате теплового нагрева и расширения, перемещая исполнительный элемент 3. В частности, на фиг. 3 перемещение элемента 3 управляет подачей светового потока к фотоприемнику 8.

Совокупность основных элементов устройства фиг.2 известна из конструкции источника инфракрасного излучения (RU 2165663, Н 01 L 33/00, 2001). Для того чтобы ее можно было использовать в качестве микроактюатора, мостик 2 выполняют гибким, причем изгибание мостика 2 необходимо обеспечить при прохождении малых токов с тем, чтобы избежать существенного температурного воздействия на исполнительный элемент и связанный с ним объект управления. Только в этом случае мостик 2 обеспечит выполнение указанного в формуле изобретения функционального признака "исполнительный элемент ... подвешен в окне рамы с ... возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя". Технологически гибкость мостика 2 достигается выбором соотношения длины l мостика 2 к его толщине с учетом противоречивых требований: чем больше длина мостика, тем больше перемещение δ исполнительного элемента, но меньше механическая прочность.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено следующим образом.

Рабочую сторону кремниевой пластины ориентации (100) пассивируют термическим окислением при температуре 1200^oС в атмосфере, обогащенной кислородом, для формирования электроизоляционного покрытия 4 из диоксида кремния (SiO₂), на которое далее наносят слой карбида кремния (SiC) толщиной 0,8 мкм осаждением в установке магнетронного распыления из SiC-мишени под вакуумом при постоянном токе разряда 0,65 А, мощности 210 Вт и температуре 900^oС в течение 30 мин. На внешнюю поверхность напыленного слоя SiC наносят фоторезистивную маску, с помощью которой плазмохимически формируют мостик 2. Затем маску удаляют растворением в диметилформамиде. Затем с помощью химического травления подогретым до 75^oС водным раствором КОН (33 мас.%) производят микропрофилирование кремниевой пластины для образования основания 1 в виде рамы.

Далее на концах внешней поверхности элемента 2 формируют металлические контактные пластины 5 путем термического напыления никеля (Ni) в вакууме с последующей фотолитографической формовкой. При необходимости на центральный участок 3 (исполнительный элемент) мостика 2 наносят покрытие 6, форма и материал которого зависят от конкретного применения микроактюатора.

ПРИМЕР 1. Для работы в качестве модулятора светового потока изготавливают микроактюаторы согласно фиг.2. Окно рамы 1 представляет собой квадрат площадью 4 мм². Мостик 2 имеет длину 2 мм, ширину - 100 мкм и толщину d 1,5-10 мкм. Исполнительный элемент 3 площадью s 0,1-1,4 мм² снабжен отражателем 6 из никелевой пленки толщиной 0,4 мкм.

Длина волны полупроводникового лазера 7 равна 0,7 мкм. Фотоприемник 8 выполнен на базе фотодиода.

Микроактюатор подключен к источнику прямоугольных импульсов тока с амплитудой I, регулируемой в диапазоне от I=5 мА до I=200 мА, и частотой f=0-500 Гц. В зависимости от действующего значения тока, протекающего через мостик 2, изменяется температура элементов 2 и 3, а также перемещение δ элемента 3 (прогиб мостика 2). Значение δ определяют под микроскопом. Измерение температуры элемента 3 производят с помощью предварительно полученной в термостате градуировочной кривой зависимости температуры от электрического сопротивления между противоположными контактными пластинами 5.

Для наглядности представления амплитудно-частотной характеристики микроактюатора в режиме модуляции светового потока перемещение элемента 3 пересчитывают в относительное перемещение по формуле где L - относительное перемещение исполнительного элемента 3, дБ; δ₀ - перемещение элемента 3 при прохождении немодулированного тока через мостик 2, мкм.

Результаты приведены в табл.1. Как видно из таблицы, при толщине мостика d=1,5 мкм, площади исполнительного элемента s=0,1-0,5 мм² и значении тока I= 30-50 мА достигается надежный режим работы микроактюатора, характеризуемый перемещением исполнительного элемента 3 при подключении прибора к источнику тока на величину δ=2,8-4,2 мкм. В этом случае рабочая температура микроактюатора лежит в пределах от 125 до 510^oС. Увеличение толщины мостика до значения d=10 мкм при площади исполнительного элемента s=1,4 мм² приводит к уменьшению δ до 1,7-2,7 мкм в том же диапазоне температур. При больших значениях тока (80-150 мА в зависимости от толщины мостика 2) происходит тепловое разрушение микроактюатора.

Вариант микроактюатора, выполненный с d=1,5 мкм и s=0,1 мм², испытывают в режиме модуляции светового потока при амплитудных значениях I=30 и I=50 мА и скважности импульсов, равной 2,0.

Как видно из табл.2, инерционность данного варианта микроактюатора не сказывается на частотах не более 200 Гц, что подтверждается уменьшением амплитуды колебаний элемента 3 не более чем на 7 дБ. Поэтому в данном диапазоне частот приемное устройство 8 четко регистрирует модулированный световой сигнал. С увеличением модулирующей частоты электрического тока более 200 Гц амплитуда колебаний элемента 3 резко уменьшается (L<-10 дб) из-за существенного влияния тепловой инерционности прибора, вследствие чего на данных частотах модуляция светового сигнала невозможна.

ПРИМЕР 2. Микроактюаторы фиг.2 изготавливают в вариантах с мостиком 2 из SiC, Si, Pt₂Si и Cr (по 10 изделий из каждого материала). Геометрические размеры мостика 2: длина 2 мм, ширина 100 мкм, толщина 4 мкм. Элемент 6 не выполняют. Изготовленные образцы подключают к источникам постоянного тока величиной от 30 до 200 мА. Исследуют надежность микроактюаторов путем определения времени t наработки на один необратимый отказ из-за разрушения конструкции.

Результаты приведены в табл.3. Как видно из таблицы, наибольшей надежностью обладают микроактюаторы с мостиком 2, изготовленным из SiC. Эти приборы характеризуются временем наработки на один отказ f=1650 ч при I=50 мА (температура 500^oС) и 820 ч при I=70 мА (температура 920^oС). Микроактюаторы с мостиком 2 из Si и Pt₂Si при адекватных температурах имеют время наработки на один отказ 1130÷1280 и 75÷80 ч соответственно. Микроактюаторы с мостиком 2, выполненным из Cr, разрушаются наиболее быстро - через 350 и 5 ч при тех же температурных условиях соответственно.

Резюмируя представленные материалы, можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция значительно проще и технологичнее прототипной, поскольку в ней исключены элементы из полиимидного флуоресцирующего каучука, а нагреватель, подвижная пластина и нажимной элемент выполнены в виде одной детали. При этом изготовление данной детали из карбида кремния, как проиллюстрировано в примере 2, приводит к значительному повышению надежности целевого изделия.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор, содержащий основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя, отличающийся тем, что исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния в виде одной детали, имеющей форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока.

2. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор по п. 1, отличающийся тем, что при его использовании в качестве микроманипулятора нажимного действия для переключения контактов микрореле, в конструкции микроклапана и т. п. подвижная пластина выполнена четырехплечей и подвешена каждым плечом к соответствующему участку рамы.

3. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор по п. 1, отличающийся тем, что для уменьшения его тепловой инерции подвижная пластина выполнена двуплечей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5