CN102096190B - 一种金属光热驱动微开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属光热驱动微开关及其制作方法。本发明采用同步辐射LIGA技术制备了这种金属光热驱动微开关，采用化学溅射法对金属光热驱动微开关的表面进行了发黑处理以减小其对光的反射、增加其对光的吸收。采用激光作为驱动源，将激光束进行准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的驱动臂上，利用金属的光热膨胀效应使金属微开关发生形变，从而实现开关功能。***包括激光器、聚焦透镜、基底、膨胀臂、触点等部分。本发明的优点是采用LIGA技术制备，微开关精度高，可进行批量生产；可以利用激光直接对微开关进行非接触控制；微开关导电性良好，可直接应用于电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属光热驱动微开关及其制作方法，用于微光机电***电路的非接触控制。
背景技术
随着微纳米技术的发展，微光机电***(micro-optical-electro-mechanical system, MOEMS)作为微纳米技术中一个重要的分支，已在世界各国得到迅速发展，并在诸多领域获得广泛应用。微驱动器是众多MOMES中的重要组成部分，按驱动原理的不同，常见驱动器可分为电磁驱动型、静电驱动型、压电驱动型、热膨胀驱动型等。微开关是微驱动器众多应用中的一种。接触式微开关的功耗低、隔离度高、线性度好，并且可以和其他电子器件集成，因此正日益成为人们研究的热点。
利用电磁驱动、静电驱动、压电驱动或者电热膨胀驱动来实现开关功能，虽然在诸多场合得到广泛应用，但却不可避免地需要引入外部驱动电路。为此，本发明借鉴电热驱动原理，采用激光作为驱动源，将激光束进行准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的驱动臂上，利用金属的光热膨胀效应使金属微开关发生形变，从而实现开关功能，无需引入外部驱动电路，可以利用激光直接对微开关进行非接触控制。而且本发明中的金属光热驱动微开关采用同步辐射LIGA技术制备，微开关精度高，可进行批量生产；导电性良好，可直接应用于电路，满足工业、农业、国防和科学技术等国民经济与社会发展各领域的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种金属光热驱动微开关及其制作方法。
金属光热驱动微开关包括激光器、聚焦透镜、下基底、微悬臂、中心圆盘、悬臂触点、基底触点、上基底。下基底上顺次设有微悬臂、中心圆盘、悬臂触点；基底触点位于上基底上，激光经激光器和聚焦透镜准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的中心圆盘上，中心圆盘吸收激光的能量，向微悬臂传导热量，微悬臂局部温度升高后向上伸长，从而使悬臂触点与基底触点接触，实现开关功能。
金属光热驱动微开关包括光器、聚焦透镜、宽臂、窄臂、窄臂触点、右基底触点、左基底、右基底；左基底右侧壁设有宽臂、窄臂，窄臂上设有窄臂触点，右基底上设有与窄臂触点相配合的右基底触点，激光经激光器和聚焦透镜准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的宽臂上，宽臂吸收激光的能量，局部温度升高后向下偏转，从而使窄臂触点与右基底触点接触，实现开关功能。
金属光热驱动微开关的制作方法的步骤如下：
1）用AutoCAD设计微开关图纸；
2）以Si做框架、SiN做基膜、Ni做吸收膜按照图纸采用电子束光刻制作掩模图形；
3）用聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶涂在用作电镀电极的金属膜上，利用同步辐射X射线进行光刻，在X光经过掩模基底所照射到的光刻胶部分，显影后就被溶解掉，得到一个与掩模结构相同，厚度几百微米、最小横向宽度达几微米的三维立体胶结构；
4）利用光刻胶下面的金属层作电极进行电镀，将光刻胶形成的间隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的稳定金属凹凸版图，然后将光刻胶及附着的基底材料除掉，得到塑铸所用的金属微开关；
5）通过金属注塑板上的小孔将树脂注入到模具的腔体内，树脂硬化后，去掉模具得到一塑料微型结构，在塑铸完成的微型结构上，电镀微开关结构，再去掉胶和注塑板，得到一个有几百微米厚、三维立体结构的微开关毛坯；
6）对毛坯上下表面进行抛光处理，得到金属微开关成品；最后采用化学溅射法对金属微开关的表面进行发黑处理。
微开关的材料为导电性能良好的金属，在基底连上导线后可直接作为开关在微光机电***电路中使用。激光器和聚焦透镜共同构成驱动源，可以直接对微开关进行非接触控制。将激光束进行准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的驱动臂上，利用金属的光热膨胀效应使金属微开关发生形变，从而实现开关功能。
附图说明
图1是金属光热驱动微开关（I型）工作原理示意图；
图2是金属光热驱动微开关（II型）工作原理示意图；
图3是金属光热驱动微开关（I型）CAD设计图实例；
图4是金属光热驱动微开关（II型）CAD设计图实例；
图5是同步辐射LIGA工艺流程图；
图6是整体***框图；
图中：激光器1、聚焦透镜2、下基底3、微悬臂4、中心圆盘5、悬臂触点6、基底触点7、上基底8、宽臂9、窄臂10、窄臂触点11、右基底触点12，左基底13、右基底14。
具体实施方式
如图1所示，金属光热驱动微开关（I型）包括激光器1、聚焦透镜2、下基底3、微悬臂4、中心圆盘5、悬臂触点6、基底触点7、上基底8；下基底3上顺次设有微悬臂4、中心圆盘5、悬臂触点6；基底触点7位于上基底8上，激光经激光器1和聚焦透镜2准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的中心圆盘5上，中心圆盘5吸收激光的能量，向微悬臂4传导热量，微悬臂4局部温度升高后向上伸长，从而使悬臂触点6与基底触点7接触，实现开关功能。
当激光器1中发出的平行激光通过聚焦透镜2会聚成一点，照射到金属光热驱动微开关的中心圆盘5上，中心圆盘5吸收激光的能量，向微悬臂4传导热量，微悬臂4局部温度升高后产生一维的膨胀伸长量，而微悬臂4下端固定于基底，只能向上形变拱起中心圆盘，从而使悬臂触点6与基底触点7接触，实现开关功能。
如图2所示，金属光热驱动微开关（II型）包括光器1、聚焦透镜2、宽臂9、窄臂10、窄臂触点11、右基底触点12、左基底13、右基底14；左基底13右侧壁设有宽臂9、窄臂10，窄臂10上设有窄臂触点11，右基底14上设有与窄臂触点11相配合的右基底触点12，激光经激光器1和聚焦透镜2准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的宽臂9上，宽臂9吸收激光的能量，局部温度升高后向下偏转，从而使窄臂触点11与右基底触点12接触，实现开关功能。
当激光器1中发出的平行激光通过聚焦透镜2会聚成一点，照射到金属光热驱动微开关的，照射到金属光热驱动微开关的宽臂9上，宽臂9吸收激光的能量，局部温度升高后产生一维的膨胀，而与宽臂9末端相连的窄臂10没有受热膨胀，致使宽臂9一维的膨胀转化为整个微开关向下偏转，从而使窄臂触点11与右基底触点12接触，实现开关功能。
如图3、图4所示，金属光热驱动微开关的结构，是用AutoCAD设计，可根据实际需要，微开关长度可设计为500~5000微米，宽度为200~1000微米，厚度为40~100微米，触点间距为5~50微米。
如图5所示，金属光热驱动微开关的制作方法的步骤如下：
金属光热驱动微开关的制作方法的步骤如下：
1）用AutoCAD设计微开关图纸；
2）以Si做框架、SiN做基膜、Ni做吸收膜按照图纸采用电子束光刻制作掩模图形；
3）用聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶涂在用作电镀电极的金属膜上，利用同步辐射X射线进行光刻，在X光经过掩模基底所照射到的光刻胶部分，显影后就被溶解掉，得到一个与掩模结构相同，厚度几百微米、最小横向宽度达几微米的三维立体胶结构；
4）利用光刻胶下面的金属层作电极进行电镀，将光刻胶形成的间隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的稳定金属凹凸版图，然后将光刻胶及附着的基底材料除掉，得到塑铸所用的金属微开关；
5）通过金属注塑板上的小孔将树脂注入到模具的腔体内，树脂硬化后，去掉模具得到一塑料微型结构，在塑铸完成的微型结构上，电镀微开关结构，再去掉胶和注塑板，得到一个有几百微米厚、三维立体结构的微开关毛坯；
6）对毛坯上下表面进行抛光处理，得到金属微开关成品；最后采用化学溅射法对金属微开关的表面进行发黑处理。
整体***框图如图6所示，采用同步辐射LIGA技术加工制备金属光热驱动微开关；激光器发出功率和频率可调的激光，用于控制金属光热驱动微开关的偏转量和开关频率；金属光热驱动微开关应用于微光机电***，实现对具体电路的控制。
Claims (1)
1.一种金属光热驱动微开关，其特征在于包括激光器(1)、聚焦透镜(2)、下基底(3)、微悬臂(4)、中心圆盘(5)、悬臂触点(6)、基底触点(7)、上基底(8)；下基底(3)上顺次设有微悬臂(4)、中心圆盘(5)、悬臂触点(6)；基底触点(7)位于上基底(8)上，激光经激光器(1)和聚焦透镜(2)准直聚焦后照射到金属光热驱动微开关的中心圆盘(5)上，中心圆盘(5)吸收激光的能量，向微悬臂(4)传导热量，微悬臂(4)局部温度升高后向上伸长，从而使悬臂触点(6)与基底触点(7)接触，实现开关功能；具体制作方法的步骤如下：
1)用AutoCAD设计微开关图纸；
2)以Si做框架、SiN做基膜、Ni做吸收膜按照图纸采用电子束光刻制作掩模图形；
3)用聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶涂在用作电镀电极的金属膜上，利用同步辐射X射线进行光刻，在X光经过掩模基底所照射到的光刻胶部分，显影后就被溶解掉，得到一个与掩模结构相同，厚度几百微米、最小横向宽度达几微米的三维立体胶结构；
4)利用光刻胶下面的金属层作电极进行电镀，将光刻胶形成的间隙用金属填充，形成一个与光刻胶图形凹凸互补的稳定金属凹凸版图，然后将光刻胶及附着的基底材料除掉，得到塑铸所用的金属微开关；
5)通过金属注塑板上的小孔将树脂注入到模具的腔体内，树脂硬化后，去掉模具得到一塑料微型结构，在塑铸完成的微型结构上，电镀微开关结构，再去掉胶和注塑板，得到一个有几百微米厚、三维立体结构的微开关毛坯；
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| Andrew D. Oliver et al..Photothermal Surface-Micromachined Actuators.《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES》.2003,第50卷(第4期),1156-1157. * |
| 伊福廷等.微细加工新技术-LIGA技术.《微细加工技术》.1993,(第4期),1-7. * |
| 王乐妍等.激光光热控制触点开关式微驱动机构及实验研究.《光电子激光》.2008,第19卷(第11期),1450-1453. * |
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