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电流对NiTiCu形状记忆合金丝电热驱动特性的影响

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机械工程材料 2016年第8期40卷 16-18,52页

作者：朱深亮董洪波张贵华吴宇龙熊昱航赵海波南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063

通过对NiTiCu形状记忆合金丝加载不同电流,研究了电流及其加载时间对该合金丝变形速率和变形时间的影响,得到了电流与变形时间的经验关系式。结果表明:合金丝的变形时间随着电流的增大迅速减小,但当电流增加到一定值后,变形时间趋向平稳... 详细信息

通过对NiTiCu形状记忆合金丝加载不同电流,研究了电流及其加载时间对该合金丝变形速率和变形时间的影响,得到了电流与变形时间的经验关系式。结果表明:合金丝的变形时间随着电流的增大迅速减小,但当电流增加到一定值后,变形时间趋向平稳;当电流一定时,合金丝的变形角度均随电流加载时间的延长先缓慢再快速增大,最后趋向平稳,可见合金丝的变形速率先增加后减小;由电流与变形时间的经验关系式得到的曲线与测试数据吻合较好。

关键词： NiTiCu合金形状记忆效应电热驱动电流变形时间

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电热驱动薄膜的制备优化与系统测试

电热驱动薄膜的制备优化与系统测试

作者：朱稚童苏州大学

学位级别：硕士

热气动式电热驱动器件应用于办公打印和材料研究,其高可靠性微驱动基于液体发射,因此,相应的结构设计及材料要求都较高。其核心原理是由电热驱动薄膜本身的热传导,激发液体气泡成核,成核气泡生长、融合并最终驱动液滴的发射行为。评价... 详细信息

热气动式电热驱动器件应用于办公打印和材料研究,其高可靠性微驱动基于液体发射,因此,相应的结构设计及材料要求都较高。其核心原理是由电热驱动薄膜本身的热传导,激发液体气泡成核,成核气泡生长、融合并最终驱动液滴的发射行为。评价气动式电热驱动的液滴发射性能,不仅需要聚焦薄膜本身,而且要观察气泡成核效果,更需要检测液滴发射状态。虽然,惠普和佳能公司已有比较完善的薄膜设计制造方法和测试系统,但是,国内相对缺乏系统而深入的工程研究与探索。本研究首先参考电热驱动薄膜制备原理,使用反应磁控溅射炉制备电热驱动TaN薄膜;通过控制N2流量来优化薄膜质量,得到厚度为1500 A,方阻为85 Ω/□的电热驱动薄膜。通过搭建气泡成核观察系统,观察比对电热驱动薄膜成核状态;利用液滴发射测量系统,量化阈值电压、驱动电压和寿命等参数维度,验证薄膜制备优化效果。研究表明:(1)通过控制N2流量能够有方向性地改变电热驱动薄膜方阻;(2)优化后的电热驱动薄膜,其气泡成核状态接近标准成核规则;(3)优化后的薄膜其阈值电压稳定,驱动电压重复性较好;薄膜的寿命最大可达6亿次发射。因此,对于热气动式电热驱动薄膜,一方面,若无其他材料因素影响,N2流量控制是改善TaN薄膜性能的主要因素;另一方面,评价热气动式电热驱动薄膜的驱动性能,需要通过系统观察和测量,才能更直观地判断。本文的研究具有一定的工程研究价值,制备优化的方向和性能测试的方法对国内相关研究领域可作一定补充。

关键词： TaN薄膜电热驱动气泡成核观察系统液滴发射测量系统

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基于电热驱动的MEMS继电器的研制

基于电热驱动的MEMS继电器的研制

作者：胡志军上海交通大学

学位级别：硕士

微电子机械系统(MEMS)是微电子、微驱动器、多数情况下还包括微传感器的集成化系统,是微电子技术与机械、光学等领域交叉融合而产生的一项新技术。MEMS及相关技术使得光、机、电、磁、热等功能器件的微型化、集成化制造和功能复合成为可... 详细信息

微电子机械系统(MEMS)是微电子、微驱动器、多数情况下还包括微传感器的集成化系统,是微电子技术与机械、光学等领域交叉融合而产生的一项新技术。MEMS及相关技术使得光、机、电、磁、热等功能器件的微型化、集成化制造和功能复合成为可能,从而可以显著提高现有产品的功效,并有可能创造新的器件、系统结构形式,产生许多新的功能。 MEMS继电器是结合微细加工技术和继电器技术而制作出的微继电器。微继电器作为一种基本的机电元件广泛地应用于信息处理,通信重点工程等各个领域。相比于传统的基于机械操纵触点导通机制的机电继电器和基于无触点半导体元件的固态继电器,微继电器具有体积小、高线性度、低功耗、高隔离度、易集成化等优点。按驱动方式的不同,微继电器主要可以分为:静电驱动微继电器,电磁驱动微继电器和电热驱动微继电器。与微静电继电器和微电磁继电器相比,电热驱动微继电器具有驱动电压低,驱动力大,结构和工艺过程简单等优点。本文设计和制作了一种新型的电热驱动MEMS继电器。微继电器主要分为热驱动臂、放大臂、SU8绝缘块、触头和信号输入、输出端等部分。整个结构是基于杠杆放大原理设计的,呈现为一“T”型结构。加热臂采用“U”型结构设计,能够在不增加加热臂电阻和微继电器功耗的前提下,增加加热臂的驱动力;而放大臂采用杠杆原理可以将加热臂的微小热膨胀伸长放大为触点较大的位移。微继电器行程较大。同时,在“U”型热驱动臂之间引入SU8支持块来加固热驱动臂结构;在放大臂顶端和触头结合处引入了SU8绝缘块将微继电器的控制信号和传输信号进行电气隔离。另外,借助于有限元分析软件Ansys10.0进行辅助设计。采用了非硅MEMS工艺来制作微继电器。研究了与其相关的工艺技术,确定了合适的工艺方案和工艺参数。采用溅射、甩胶、光刻、电镀、腐蚀等工艺,以溅射Cr/Cu薄膜为电镀金属种子层,以电镀Cu作为控制线路和牺牲层材料,以电镀Ni作为微继电器结构层材料,以SU8负胶工艺制作了SU8绝缘块结构,以正性光刻胶为腐蚀保护材料并采用湿法释放技术刻蚀Cu牺牲层形成悬空结构梁,最后采用曝光去胶法去除保护层正胶材料。经过整合工艺流程,成功地制作出MEMS继电器原型器件。在自制的测试平台上测试,微继电器的电阻为2 ?,驱动电压为0.5 V,响应时间(ton)为11 ms,恢复时间(toff)约为1 ms。

关键词：微机电系统(MEMS) 继电器电热驱动有限元法牺牲层技术

基于电热驱动压阻检测的悬臂梁传感器的设计仿真和工艺加工

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基于电热驱动压阻检测的悬臂梁传感器的设计仿真和工艺加工

作者：谭博仁北京交通大学

学位级别：硕士

随着MEMS、NEMS和纳米制备工艺的发展,器件的微小化、集成化已经成为常规需求。扫描探针传感器的发展,为纳米级探测、扫描、信息存储、光刻和直写等方面推进了一大步。自驱动自检测微悬臂梁传感器以高度集成化、体积小巧和制备简单的特... 详细信息

随着MEMS、NEMS和纳米制备工艺的发展,器件的微小化、集成化已经成为常规需求。扫描探针传感器的发展,为纳米级探测、扫描、信息存储、光刻和直写等方面推进了一大步。自驱动自检测微悬臂梁传感器以高度集成化、体积小巧和制备简单的特点,在形貌检测和无掩膜光刻直写方面有显著的优势。其中电热驱动的悬臂梁传感器,具有驱动效率高、提供稳定振幅、可控性强的驱动力和制备工艺简单的优势。在扫描探针光刻（SPL）领域,尤其是面向光刻功能的热驱动型探针方面,国内没有相关研究。目前,热驱动探针显微传感器完全依赖国外进口。针对微悬臂梁传感器可以实现多功能集成化、实时检测及便携式应用,也为了弥补国内这一研究的空缺,我们利用理论计算结合有限元分析方法,借助COMSOL Multiphysics仿真平台,对电热驱动型的悬臂梁传感器进行设计,并与现有的文献和实验进行比较验证,进行压阻式谐振反馈的电路设计,获得了以下主要结果:1.经过从结构上和材料上的设计和仿真,我们提出电阻镂空型电热驱动压阻检测悬臂梁,相较于现有的德国Nano Analytik公司的SPL悬臂梁传感器,在尺寸相同的情况下,温度驱动效率提高了49.6%;功率驱动效率提高了68.8%;传感器的压阻灵敏度为3.77 m V/100μN,非线性度为0.04%;优化了中间绝缘层和顶层的厚度比关系,形变量提升23.8%。2.基于现有的微纳加工工艺,设计了电阻镂空型的加工工艺流程,包括针尖制备、压阻掺杂、低压气相沉积、离子注入、磁控溅射、光刻和湿法刻蚀等等共计8个步骤,设计了7个掩模版。计划于微电子所微纳加工工艺线完成器件制备和性能测试。致力于实现一款具有自驱动、自检测功能的多层复合材料微悬臂梁传感器。

关键词：悬臂梁电热驱动压阻检测镂空结构

光纤对正用电热微执行器设计及其驱动特性研究

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光纤对正用电热微执行器设计及其驱动特性研究

作者：赵海龙南京理工大学

学位级别：硕士

以激光起爆引信MOEMS安全系统为应用背景,设计了一种用于光逻辑控制的硅基电热微执行器。硅基电热微执行器作为光逻辑控制的驱动装置,具有结构简单、尺寸小、易于与后坐保险机构集成加工、驱动电压较低、可靠性高、电磁干扰小等优点,满... 详细信息

以激光起爆引信MOEMS安全系统为应用背景,设计了一种用于光逻辑控制的硅基电热微执行器。硅基电热微执行器作为光逻辑控制的驱动装置,具有结构简单、尺寸小、易于与后坐保险机构集成加工、驱动电压较低、可靠性高、电磁干扰小等优点,满足现代引信微型化、智能化、信息一体化的发展趋势。通过电-热-力理论模型构建、有限元仿真和实验相结合的研究方法,对执行器进行设计及其驱动特性研究,所用的研究方法和所得的研究成果,为开发大位移的电热微执行机构奠定基础,具有一定的研究和工程意义。基于电能-热能转换的焦耳热效应和热能-机械能转换的热膨胀效应,阐述了电热微执行器的驱动原理,并构建了电热微执行器电-热-力理论模型,得到执行器温度分布方程和末端位移计算表达式。利用有限元仿真软件对电热执行器模型进行了电-热-力多物理场耦合仿真分析。对执行器进行了稳态仿真分析,验证了所建的电-热-力理论模型的正确性;对电热执行器的动态驱动特性进行瞬态仿真分析,得到了执行器温度、位移和应力随时间的变化规律;并对断电阶段执行器驱动特性的变化规律进行了仿真分析。基于深反应离子刻蚀方法制定了执行器加工工艺流程并加工出来了原理样机,给出了原理样机的封装方案、电阻率的测量方法。对硅基电热执行器在引信MOEMS安全系统中的高过载环境适应性进行研究,用锤击试验机对样机进行抗高冲击能力测试,试验结果表明执行器具备抗11000 g幅值、1.1 ms脉宽高冲击的能力。搭建了电热执行器驱动特性实验平台,利用MATLAB通过图像边缘检测方法计算出电热执行器驱动位移的大小,实验结果表明当驱动电压为12 V时驱动位移为57.83μm,并将提取微位移方法的代码编写为GUI程序。基于BP算法建立了用于电热微执行器几何参数优化的三层前向神经网络模型。模型中以热臂宽度、冷臂宽度、冷热臂间隙和柔性臂长度为神经网络输入信号,以末端位移为输出信号,用MATLAB-ANSYS联合仿真平台得到的仿真结果作为训练和测试神经网络的数据样本。最后用训练好的神经网络对1000组不同几何参数电热执行器的末端位移进行了预测,最终得到了一组具有最大输出位移的电热执行器的几何参数,与初始设计值相比,优化后在10 V驱动电压下,执行器驱动位移提高了28.4%。

关键词：微光机电系统微执行器电热驱动引信安全系统多物理场耦合

双轴电热机械MEMS微镜的驱动臂交叉耦合模型

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浙江理工大学学报（自然科学版） 2020年第3期43卷 349-355页

作者：杨亮亮胡斌李剑敏浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室杭州310018 浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018 无锡微奥科技有限公司江苏无锡214000

根据双轴电热机械MEMS微镜的热力学、机械振动、频率响应和光学动态扫描图形分析,考虑驱动臂轴间交叉耦合情况,建立了双轴电热机械MEMS微镜的驱动臂交叉耦合模型。通过Matlab/Simulink对微镜系统模型进行仿真,并模拟了双轴电热机械MEMS... 详细信息

根据双轴电热机械MEMS微镜的热力学、机械振动、频率响应和光学动态扫描图形分析,考虑驱动臂轴间交叉耦合情况,建立了双轴电热机械MEMS微镜的驱动臂交叉耦合模型。通过Matlab/Simulink对微镜系统模型进行仿真,并模拟了双轴电热机械MEMS微镜单个驱动臂和两个驱动臂的光学动态扫描模式。将仿真图形与双轴电热机械MEMS微镜动态扫描的实际情况进行对比,结果表明该模型有效仿真出双轴电热机械MEMS微镜的光学动态扫描模式,达到预测该微镜光学动态扫描图形的目的。

关键词： MEMS微镜电热驱动交叉耦合电热机械建模

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微火工品用高结构强度MEMS安保装置

机械工程学报 2022年第17期58卷 206-214页

作者：胡腾江任炜赵玉龙王柯心西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049 陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室西安710061

为了在保证MEMS(Micro-electro-mechanical-system)安保装置高精度特征的同时大幅提高器件的结构强度,开展了具有金属/硅基复合结构的高强度MEMS安保装置研究。该MEMS安保装置以硅基为基础,通过在硅隔板上方制作金属增强层,解决了器件... 详细信息

为了在保证MEMS(Micro-electro-mechanical-system)安保装置高精度特征的同时大幅提高器件的结构强度,开展了具有金属/硅基复合结构的高强度MEMS安保装置研究。该MEMS安保装置以硅基为基础,通过在硅隔板上方制作金属增强层,解决了器件高精度与高强度的技术矛盾。该MEMS安保装置采用电热原理实现驱动,在11 V特定周期信号的作用下,器件可以在0.9 s内产生1 mm的往复位移,实现了对安保状态的主动控制。起爆隔爆测试结果表明,在解保状态下,复合隔板未对飞片的飞行状态产生影响,飞片可以顺利飞出;在安全状态下,复合隔板与飞片直接碰撞,硅隔板发生破碎但金属隔板保持完整。在金属隔板的限制下,破碎的硅不会飞出形成二次飞片,因此,有效提高了器件的结构强度,确保了MEMS安保装置良好的隔爆性能。MEMS安保装置的整体尺寸为8 mm×15 mm×0.75 mm,最小线宽为5μm,抗过载能力为10 000 g。该MEMS安保装置具备微型化、集成化特征。

关键词： MEMS安保装置金属/硅基复合隔板电热驱动状态恢复

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闭锁电热微开关的制备及性能测试

功能材料与器件学报 2012年第5期18卷 345-349页

作者：张颖汪红毛胜平戴旭涵丁桂甫微米/纳米加工技术国家重点实验室上海200240 上海交通大学微纳科学技术研究院上海200240

本文主要介绍了一种闭锁电热微开关的制备及性能测试。利用双层膜电热微驱动器,基于双悬臂梁的结构设计,实现开关的驱动和闭锁。采用MEMS表面微加工技术完成所设计微开关器件的制备,并对其进行性能测试。结果表明,施加的脉冲电信号的最... 详细信息

本文主要介绍了一种闭锁电热微开关的制备及性能测试。利用双层膜电热微驱动器,基于双悬臂梁的结构设计,实现开关的驱动和闭锁。采用MEMS表面微加工技术完成所设计微开关器件的制备,并对其进行性能测试。结果表明,施加的脉冲电信号的最佳占空比为10%,并测得电阻丝能承受的最大功耗为90mW,单臂梁的翘曲高度为58μm,所得结果能够满足设计的闭锁电热微开关的工作需要。将本次设计的微开关连接到外接电路中,并施加时序双脉冲电信号,测得了外接电路的导通信号。

关键词：电热驱动机械锁定 MEMS微加工工艺时序双脉冲电信号

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平行梁结构电热微夹持器研究

平行梁结构电热微夹持器研究

作者：阴学朴燕山大学

学位级别：硕士

微夹持器是微装配与微操作中的执行部件,广泛应用于细胞操作、微镜头装配等场合,其性能的优劣直接影响到夹持动作的成败。论文综述了几种典型微夹持器的工作原理,并比较了各自特点。选择具有结构简单、夹持力大等优点的电热驱动微夹持... 详细信息

微夹持器是微装配与微操作中的执行部件,广泛应用于细胞操作、微镜头装配等场合,其性能的优劣直接影响到夹持动作的成败。论文综述了几种典型微夹持器的工作原理,并比较了各自特点。选择具有结构简单、夹持力大等优点的电热驱动微夹持器为研究对象。 (1)微夹持器的电热驱动部分采用可以实现通电张开-通电闭合双向运动的平行梁结构。在考虑微加工工艺能力的基础上,设计了微夹持器的结构尺寸。对其进行了理论分析,建立了电-热-机械多能量域的数学分析模型,用解析方法分析其温度分布和位移特性。 (2)利用ANSYS建立了电热微夹持器的有限元模型,对其进行了仿真分析,得到了微夹持器的输出位移及夹持力随输入电压不同而变化的情况。重点分析了包括悬臂长度、深宽比等在内的结构尺寸变化对输出位移与夹持力的影响。通过一系列的假设,建立了微夹持负载时的有限元模型,分析了驱动臂的变形与应力分布情况。 (3)对微夹持器进行了模态分析,提取前两阶固有频率,讨论了结构尺寸变化对频率与振型的影响。通过瞬态分析得到了微夹持器的响应时间与恢复时间。分析了结构对垂直于基底方向的冲击载荷的响应情况,得到了微夹持器冲击载荷下的应力分布与位移,并分析了结构尺寸改变对位移与应力分布的影响。本文的理论研究与仿真结果可指导平行梁结构微夹持器的结构设计,从而节约设计成本、缩短设计周期。

关键词： MEMS 电热驱动微夹持器有限元法动态分析