Разработка биморфного термоактюатора и конструкции микрозеркала на его основе

Разработка биморфного термоактюатора и конструкции микрозеркала на его основе

Ю.А. Чаплыгин, С.П. Тимошенков, С.С. Евстафьев

Введение

Микромеханические системы в настоящее время являются одним из наиболее развивающихся направлений в технике [1]. Устройства, называемые микромеханическими, объединяют в себе как механические, так и электронные компоненты, и характеризуются высокими эксплуатационными характеристиками и малыми размерами. При этом в микромеханическом исполнении возможен как выпуск датчиков, так и устройств, преобразовывающих электрические сигналы в движущую силу [2]. Создание таких актюаторов является актуальной задачей, стоящей перед исследователями всего мира.

Одним из вариантов конструкции актюатора является балочный актюатор. Основными требованиями к актюатору такого типа является его хорошая управляемость и быстродействие. В мире изготовлены различные конструкции балочных актюаторов, принцип действия которых основан на электростатическом, пьезоэлектрическом, магнитном и других эффектах [3_5]. После проведенного анализа доступных информационных источников можно заключить, что только актюаторы, функционирующие на принципе термостимулированного биморфного эффекта, способны обеспечивать отклонение балки актюатора на угол более 15° при относительно небольших геометрических размерах [6].

Структура балки микроактюатора

Основой для изготовления микропривода служит кремниевая пластина, на поверхности которой формируется слой диоксида кремния, на который сверху наносится слой алюминия. Сверху на алюминии формируется нагревательный элемент. Для обеспечения работоспособности актюатора необходим процесс высвобождения балки от кремниевой основы, который выполняется путем глубокого селективного травления кремния (рис. 1а). При освобождении актюатора наблюдается изначальный изгиб балки из-за сжимающего напряжения в слое алюминия и растягивающего напряжения в нижнем слое диоксида кремния (рис. 1б). При нагреве структуры балка возвращается к изначальному плоскому состоянию (рис. 1в). Зафиксировав один конец актюатора и используя контролируемый нагрев, возможно получать необходимое движение объекта, закрепленного на другом конце балки. Конструкция такого актюатора позволяет обеспечить отклонение балки с высокой скоростью и на большой угол (десятки герц и десятки градусов).

При условии оптимального подбора толщин слоев и оптимизации стадий технологического процесса, в особенности глубокого селективного травления кремния, могут быть получены наилучшие показатели по углу отклонения зеркала и скорости работы устройства [7-9].

Рис. 1. _ Конструкция микроактюатора на термостимулированном биморфном эффекте: а _ состав актюатора; б _ начальный изгиб актюатора после освобождения от кремния; в _ положение актюатора при нагреве

Радиус искривления структуры определяется как начальным закручиванием, так и изменением ее температуры от нагрева поликристаллического кремния, и определяется как:

(1)

где r - фактический радиус искривления; r0 - начальный радиус искривления; rT - радиус искривления из-за изменения температуры.

Игнорируя тонкий слой поликристаллического кремния, rT может быть определен как:

, (2)

где ti, Ei и - толщина, модуль Юнга и коэффициенты теплового расширения металлической пленки (i=1) и оскидной пленки (i=2); - изменение температуры балки.

Угол наклона объекта, прикрепленного к одному концу, равен наклону балки, и может быть найден как

где L - длина балки.

Выбор длины балки зависит от требований по скорости актюатора, расхода энергии, и жесткости сборки устройства.

В случае подачи напряжения на нагреватель за счет теплового расширения конструкционных материалов и различий в их ТКЛР, балка актюатора отклоняется вниз от исходного искривленного положения к плоскости пластины, причем угол отклонения от исходного положения тем больше, чем больше температура нагрева.

График зависимости угла отклонения консольной балки актюатора от разности температур представлен на рис 2.

микрозеркало балочный биморфный термоактюатор

Рис. 2. _ Зависимость угла отклонения консольной балки актюатора от разности температур

Как видно из графика, чем больше разность между начальной температурой и температурой нагрева, тем сильнее опускается балка к плоскости пластины, и, соответственно, меньше угол подъема актюатора над поверхностью пластины. При увеличении разницы температур происходит уменьшение изначального наклона балки с 4° при разнице температур в 10 градусов до 0.15° при разнице температур в 300 градусов.

Таким образом, возможно осуществлять управление углом наклона балки путем подбора соответствующего нагревателя и напряжения, обеспечивающего необходимую температуру.

Оценка скорости срабатывания актюатора

Для оценки времени срабатывания актюатора примем следующие параметры: толщина поликремниевого нагревателя ?Si* =0,4мкм, ширина полоски нагревателя hSi* =2мкм, длина нагревателя lSi*=200мкм, удельное электрическое сопротивление алюминия ?Al =0,0271 Ом·мм2/м, удельное электрическое сопротивление поликремния ?Si* =6 Ом·мм, площадь сечения нагревателя Sсечения =0,8мкм2.

Сопротивление нагревателя определяется как

Ом

Оценим потери тепла с внешней поверхности нагревателя [10, 11]:

, (3)

где q1 - тепло, уходящее с поверхности нагревателя во внешнюю среду, S1 - площадь поверхности нагревателя.

Количество тепла, уходящее с поверхности нагревателя во внешнюю среду:

, (4)

где ?T1 - разница температур до нагрева и после нагрева, ? - коэффициент теплоотдачи с поверхности, определяемый условиями естественной конвекции, ?Si* - теплопроводность поликремния, ?Si* - толщина слоя поликремния.

Коэффициент теплоотдачи с поверхности (?) определяется из выражения для расчета числа Нуссельта:

, (5)

где Nu - число Нуссельта, ? - коэффициент теплоотдачи с поверхности, lхар. - характерный размер, ?возд. - теплопроводность воздуха (?возд. = 2,6·10-2 Вт/м·град) [12-15].

Подставляя имеющиеся и рассчитанные значения в выражение (5), был определен коэффициент теплоотдачи с поверхности нагревателя .

Вследствие очень малой толщины слоя поликремния, величина ?Si*/?Si* очень мала (1,18·10-8) по сравнению с величиной 1/?, поэтому величиной ?Si*/?Si* можно пренебречь. Тогда выражение (4) можно переписать в виде Вт/м2.

С учетом того, что площадь поверхности нагревателя, выполненного в виде меандра для рассматриваемой конструкции, равна S1 =lSi*·hSi* =4·10-10м2

Величина потерь тепла с верхней поверхности нагревателя составляет Вт

Потери тепла с поверхности актюатора, не покрытой нагревателем, будут определяться средней по времени температурой. Нагрев производится от 273К до 573 К. Средняя температура свободной от нагревателя поверхности принималась равной 423 К. При этом, коэффициент теплоотдачи с поверхности, не покрытой нагревателем (?своб.), будет определяться соотношением: [12_15].

Конструкция актюатора и расположение поликремниевого нагревателя таковы, что площадь свободной поверхности больше площади нагревателя примерно в 2,3 раза. Таким образом, для свободной поверхности количество тепла определяется:

, (6)

Вт/м2.

Площадь поверхности, не покрытая нагревателем, равна Sсвоб. = 2,3·S1 = 9,2·10-10 м2

Величина потерь тепла с поверхности, не покрытой нагревателем, равна:

Вт

Суммарная величина потерь тепла в актюаторе, т.е. общая мощность потерь, определяется выражением:

Вт

Таким образом, потеря энергии за длительность импульса (?) составит:

Дж (7)

Количество энергии (теплоты), которое расходуется на прогрев структуры за время импульса (?).

, (8)

Дж

Уравнение теплового баланса системы при нагреве определяется по формуле:

, (9)

т.е. тепло, пришедшее в систему, расходуется на потери («бесполезное тепло») и на нагрев структуры («полезное тепло»).

, (10)

где Pнагревателя - мощность нагревателя, U - напряжение питания нагревателя, R - сопротивление нагревателя.

Из уравнения теплового баланса следует соотношение, связывающее длительность импульса и подаваемое на нагреватель напряжение питания:

или

На рис.3 представлена зависимость времени отклонения балки актюатора от подаваемого напряжения при нагреве . Как видно из графика, это время достаточно мало и, например, при напряжении 100 В, составляет всего 0,32 сек.

Рис. 3. _ Зависимость времени отклонения балки актюатора от подаваемого напряжения при нагреве

Разработка конструкции микрозеркала