RU168462U1

RU168462U1 - HEAT MICROMECHANICAL ACTUATOR

Info

Publication number: RU168462U1
Application number: RU2016126453U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Тимошенков; Сергей Сергеевич Евстафьев; Вячеслав Константинович Самойликов; Сергей Геннадьевич Миронов; Алексей Сергеевич Тимошенков
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2017-02-03

Abstract

Использование: для создания и изготовления микромеханических устройств, содержащих упругие гибкие деформируемые исполнительные элементы. Сущность полезной модели заключается в том, что тепловой микромеханический актюатор, содержащий кремниевую монокристаллическую пластину с ориентацией [100] с меза-структурой, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, соединенных полипиромеллитимидными прослойками, нагревателя и металлизации нагревателя, с обратной стороны монокристаллической пластины сформированы V-образные канавки напротив параллельных трапециевидных вставок. Технический результат: обеспечение возможности расширения диапазона угла отклонения упругошарнирной консольной балки теплового микромеханического актюатора. 1 ил.Usage: for the creation and manufacture of micromechanical devices containing elastic flexible deformable actuators. The essence of the utility model is that a thermal micromechanical actuator containing a silicon single crystal plate with an orientation of [100] with a mesa structure consisting of parallel trapezoidal inserts connected by polypyromellitimide layers, a heater and a metallization heater, V-shaped are formed on the back of the single crystal plate grooves opposite parallel trapezoidal inserts. EFFECT: provision of the possibility of expanding the range of the deviation angle of the elasto-hinged cantilever beam of the thermal micromechanical actuator. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области микросистемной техники и может быть использована при создании и изготовлении микромеханических устройств, содержащих упругие гибкие деформируемые исполнительные элементы, обеспечивающие преобразование «электрический сигнал - перемещение» и/или «изменение температуры - перемещение» для микроробототехнических систем.The utility model relates to the field of microsystem engineering and can be used in the design and manufacture of micromechanical devices containing flexible flexible deformable actuators that provide the conversion of "electrical signal - movement" and / or "temperature change - movement" for microrobototechnical systems.

Известно устройство, выполненное в виде сформированной в меза-структуре упругошарнирной консольной балки, состоящей из параллельных вставок одинаковой ширины из монокристаллического кремния, соединенных полимерными прослойками, образованными пленкой на основе эпоксидной композиции SU 8, слоя алюминиевого нагревателя и металлизации [1]. Недостатками известного технического решения являются низкая надежность при функционировании микроактюатора в широком диапазоне температур из-за недостаточной адгезионной прочности на межфазных границах раздела и резкого снижения прочности эпоксидного полимера при температурах жидкого азота и повышенных температурах, малые углы отклонения и развиваемые усилия, сильно зависящие от конструкционной жесткости балки, что ограничивает области применения микроактюатора. Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту техническим решением является тепловой биморфный микромеханический актюатор в виде сформированной в меза-структуре упругошарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния, соединенных прослойками, образованными полимерной пленкой на основе фотополиимида типа HTR 3-200, нагревателя на плоской поверхности вставок и металлизации нагревателя на основе алюминия, сформированной на всей поверхности трапециевидных вставок [2].A device is known, made in the form of an elastic-pivot cantilever beam formed in a mesa structure, consisting of parallel inserts of the same width of single-crystal silicon, connected by polymer layers formed by a film based on the epoxy composition SU 8, an aluminum heater layer and metallization [1]. The disadvantages of the known technical solutions are the low reliability during operation of the microactuator in a wide temperature range due to insufficient adhesive strength at the interfaces and a sharp decrease in the strength of the epoxy polymer at liquid nitrogen temperatures and elevated temperatures, small deflection angles and the developed forces, which are highly dependent on structural rigidity beams, which limits the scope of the microactuator. The technical solution closest in essence and the effect achieved is a thermal bimorphic micromechanical actuator in the form of an elastic-hinged cantilever beam formed in the mesa structure, consisting of parallel trapezoidal inserts of single-crystal silicon, connected by interlayers formed by a polymer film based on HTR 3-200 photopolyimide, a heater on the flat surface of the inserts and metallization of the aluminum-based heater formed on the entire surface of the trapezoidal inserts [2].

Недостатком известного устройства является ограничение диапазона первоначального угла отклонения упругошарнирной консольной балки микромеханического актюатора температурой имидизации полиимида, что в свою очередь приводит к нестабильности процесса изготовления микромеханического актюатора.A disadvantage of the known device is the limitation of the range of the initial deviation angle of the elasto-pivot cantilever beam of the micromechanical actuator with the imidization temperature of the polyimide, which in turn leads to instability of the manufacturing process of the micromechanical actuator.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей теплового микромеханического актюатора, а именно расширение диапазона угла отклонения упругошарнирной консольной балки теплового микромеханического актюатора.The task to which the utility model is directed is to expand the functionality of the thermal micromechanical actuator, namely to expand the range of the deflection angle of the elasto-hinged cantilever beam of the thermal micromechanical actuator.

Эта задача решается за счет того, что в тепловом микромеханическом актюаторе, содержащем кремниевую монокристаллическую пластину с ориентацией [100] с меза-структурой, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, соединенных полипиромеллитимидными прослойками, нагревателя и металлизации нагревателя, с обратной стороны монокристаллической пластины сформированы V-образные канавки напротив параллельных трапециевидных вставок.This problem is solved due to the fact that in the thermal micromechanical actuator containing a silicon single crystal plate with orientation [100] with a mesa structure consisting of parallel trapezoidal inserts connected by polypyromellitimide layers, a heater and metallization of the heater, V- are formed on the back of the single crystal plate shaped grooves opposite the parallel trapezoidal inserts.

Формирование V-образных канавок напротив параллельных трапециевидных вставок утоняет актюатор и тем самым расширяет диапазон первоначального угла отклонения упругошарнирной консольной балки микромеханического актюатора. Сформированные V-образные канавки не ухудшают технологичность конструкции, так как формирование проводится одновременно. Сформированные V-образные канавки не ухудшают воспроизводимость и стабильность процесса изготовления, так как формирование V-образных канавок проводится заодно за одну технологическую операцию с параллельными трапециевидными вставками.The formation of V-grooves opposite the parallel trapezoidal inserts thins the actuator and thereby extends the range of the initial deflection angle of the elastically-pivoted cantilever beam of the micromechanical actuator. Formed V-grooves do not impair the manufacturability of the structure, since the formation is carried out simultaneously. The formed V-grooves do not impair the reproducibility and stability of the manufacturing process, since the formation of the V-grooves is carried out at the same time in one technological operation with parallel trapezoidal inserts.

Предложенный тепловой микромеханический актюатор иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1.The proposed thermal micromechanical actuator is illustrated by the drawing shown in FIG. one.

На фиг. 1 изображен тепловой микромеханический актюатор в поперечном сечении, где:In FIG. 1 shows a thermal micromechanical actuator in cross section, where:

1 - монокристаллическая кремниевая пластина,1 - single crystal silicon wafer,

2 - V-образные канавки или трапециевидные канавки,2 - V-shaped grooves or trapezoidal grooves,

3 - параллельные трапециевидные вставки из монокристаллического кремния,3 - parallel trapezoidal inserts of single-crystal silicon,

4 - внешний слой полипиромеллитимида.4 - the outer layer of polypyromellitimide.

Тепловой микромеханический актюатор состоит из пластины монокристаллического кремния 1, в которой сформированы параллельные трапециевидные вставки из монокристаллического кремния 3. С другой стороны пластины сформированы V-образные канавки 2. Одна сторона пластины покрыта слоем полипиромеллитимида 4. Между V-образными канавками сформированы нагреватели (не показано). Тепловой микромеханический актюатор изготавливается при помощи высокопрецизионных процессов микроэлектроники. Точность формирования V-образных канавок или трапециевидных канавок, их линейных размеров, определяется высокоточным оборудованием, применяемым для изготовления интегральных микросхем, и составляет десятые и сотые доли микрона. Использование групповых технологий позволяет одновременно с высокой точностью обрабатывать десятки пластин монокристаллического кремния.The thermal micromechanical actuator consists of a single-crystal silicon wafer 1 in which parallel trapezoidal inserts of single-crystal silicon 3 are formed. On the other side of the wafer, V-shaped grooves are formed 2. One side of the wafer is covered with a layer of polypyromellimide 4. Between the V-shaped grooves, heaters are formed (not shown ) The thermal micromechanical actuator is manufactured using high-precision microelectronics processes. The accuracy of the formation of V-shaped grooves or trapezoidal grooves, their linear dimensions, is determined by high-precision equipment used for the manufacture of integrated circuits, and amounts to tenths and hundredths of a micron. The use of group technologies allows simultaneously processing with high precision dozens of single-crystal silicon wafers.

При изготовлении теплового микромеханического актюатора его упругошарнирная консольная балка находится в деформированном состоянии, причем угол отклонения свободного конца балки зависит от предельной температуры имидизации полиимида и сформированных V-образных канавок или трапециевидных канавок. При изменении температуры, вызванной внешним воздействием и/или нагревом за счет теплового действия электрического тока, протекающего через нагреватель при включении в электрическую цепь, происходит упругая деформация упругошарнирной консольной балки. Деформация и угол отклонения упругошарнирной консольной балки либо уменьшается (при нагреве) либо повышается (при охлаждении). Зависимость угла отклонения от температуры носит линейный характер. Сформированные V-образные канавки или трапециевидные канавки напротив параллельных трапециевидных вставок утоняют актюатор. Изменяется жесткость на изгиб - уменьшается. Соответственно угол отклонения упругошарнирной консольной балки при воздействии температуры от нагревателя имеет более широкий диапазон по сравнению с прототипом. Таким образом, предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности теплового микромеханического актюатора.In the manufacture of a thermal micromechanical actuator, its elastically hinged cantilever beam is in a deformed state, and the deviation angle of the free end of the beam depends on the limit imidization temperature of the polyimide and the formed V-shaped grooves or trapezoidal grooves. When the temperature changes due to external influences and / or heating due to the thermal action of the electric current flowing through the heater when it is connected to the electric circuit, elastic deformation of the elastically hinged cantilever beam occurs. The deformation and deflection angle of the elasto-hinged cantilever beam either decreases (when heated) or increases (when cooled). The temperature dependence of the deviation angle is linear. Formed V-grooves or trapezoidal grooves opposite the parallel trapezoidal inserts thin the actuator. Bending stiffness changes - decreases. Accordingly, the angle of deviation of the elastomeric cantilever beam when exposed to temperature from the heater has a wider range compared to the prototype. Thus, the proposed device extends the functionality of the thermal micromechanical actuator.

Источники информацииInformation sources

1. Wei, T. Chu Due, G.K. Lau, P.M. Sarro, Novel electrothermal bimorph actuator for large out-of-plane displacement and force, IEEE MEMS 2008, Tucson, Arizona, USA, Jan 13-17, 2008, pp. 46-49.1. Wei, T. Chu Due, G.K. Lau, P.M. Sarro, Novel electrothermal bimorph actuator for large out-of-plane displacement and force, IEEE MEMS 2008, Tucson, Arizona, USA, Jan 13-17, 2008, pp. 46-49.

2. Патент РФ №2 448 896 - прототип.2. RF patent No. 2 448 896 - prototype.

Claims

Thermal micromechanical actuator containing a silicon single crystal plate with orientation [100] with a mesa structure consisting of parallel trapezoidal inserts connected by polypyromellitimide layers, a heater and a metallization of a heater, characterized in that V-shaped grooves are formed on the reverse side of the single crystal plate opposite to the parallel traps inserts.