基于柔性镍钴基板的薄膜致动器的设计与性能评价

本文提出了一种基于柔性镍钴基板的双晶型电热执行器的新设计，并介绍了该执行器的有限元模拟和性能评价结果。在执行器的设计中，在镍钴柔性基板上形成了一个多层结构，包括一个粘附层、两个绝缘层和一个铂(铂)加热层。本研究提出的薄膜致动器可以从硅载体晶圆上分离，并附着在其他微观或宏观结构元件上。为了研究作动器的温度分布和力学行为，采用多物理有限元模拟方法，结合了电热和静力结构分析。该致动器采用传统的微加工和电镀工艺在硅载体晶片上制备;然后，采用本文提出的释放过程将执行器从载流子晶圆上剥离。在制作完成后，对其末端挠度进行了评估，并与有限元模拟得到的结果进行了比较。

平面制造技术的进步导致了新工艺和材料的利用，以开发一系列创新微执行器。微致动器是在微机电系统(MEMS)中产生微尺度运动的装置。它由功能材料组成，如薄膜、织物、复合材料和墨水，并使用分层、图案、折叠和粘合步骤，形成复杂的运动结构。

微执行器一般分为五种类型[1，2]:静电、压电、电磁、形状记忆合金(SMA)和电热。静电执行器可以通过改变材料中的固定电场而产生机械运动[3.］．它们比电热和SMA作动器速度快，比压电作动器表现出更高的位移。因此，静电执行器适用于平面制造，有各种各样的应用，如加速度计，扫描微镜，光子，电视和投影仪。

压电作动器的原理是，施加在作动器上的电场的变化会使材料产生应力[4］．它们的优点是响应速度快，单位面积力大，功耗低;但它们存在电荷泄漏和滞后效应等局限性。

电磁致动器(5会因为电场的变化而引起运动。由于其驱动力大，驱动电压低，冲程大，因此有多种应用。高功耗和对大的外部磁铁的要求是电磁执行器的局限性。

SMA是一种材料，它在冷却时变形，但在加热时恢复到预变形的形状。SMA作动器的作动功率高于其他类型的作动器;然而，它们的缺点是难以缩小。6］．

电热驱动是基于电流产生的热能和通过环境或基板消散的热量之间的平衡。通常，有三种类型的电热执行器:热和冷臂，人字形和双形。古克尔等人[7提出了冷热臂执行器。Hot-and-cold-arm [8，9]和雪佛龙式执行机构[10，11，12通常使用均匀的材料，由多个梁组成。双晶型电热执行器依靠热膨胀系数，利用结构材料热膨胀系数(CTE)的差异进行工作。这种执行器很容易制造，因为它们不需要加工或特殊材料。它们在低功率和非常大规模的操作中很有用。

本研究提出一种新的双晶型电热致动器设计。该致动器具有柔性结构，由一个铂(铂)加热层和两个SiO组成₂,如果_3.N₄Ni-Co薄膜上的绝缘层。由于镍钴薄膜与绝缘层之间的CTE差异，电作用于铂加热器产生热量，导致薄膜弯曲。虽然现代的电热执行器是嵌入在Si基板中，但所提出的镍钴基执行器可以从Si载体晶圆上分离，并附着在其他微观或宏观结构上，包括曲面上。因此，它们在各种机电系统中都有应用。数字1给出了将薄膜电热致动器应用于微反射镜系统的一个实例。所述微镜系统可通过将镜面片装配到支撑结构上实现;镜片由电热致动器、电极垫和形成在镍钴柔性基板上的镜组成。为反射镜提供电能，电热执行器变形，使微反射镜旋转。微镜系统的设计实例表明，从硅载体晶片分离出来的平面结构可以简单地转化为三维结构。

在制造电热作动器之前，利用有限元方法(FEM)工具，结合了电热和静态结构分析，利用多物理模拟估计了电热作动器的温度分布和力学行为。在此基础上，建立了基于Ni-Co柔性基板的致动器的制作工艺。采用微加工与传统镍钴电镀技术相结合的方法，制备了形状复杂、厚度达数微米的柔性执行器[13］．在制作完成后，对其顶部的温度分布和挠度进行了评估，并与有限元模拟得到的结果进行了比较。

基于Ni-Co柔性基板的电热致动器示意图如图所示。2a.在本研究中，双形梁是一个悬臂，由镍钴基板以及粘附层、绝缘层和加热层组成。由于Ni-Co薄膜和SiO材料的CTEs不同，产生了热双晶驱动₂,如果_3.N₄隔热层。在驱动时，电压被提供给铂加热器，焦耳效应加热双晶束。由于Ni-Co的CTE高于SiO₂,如果_3.N₄，双形梁向上弯曲。驱动部件的长度和宽度分别为4.1 mm和1 mm。采用厚度为40 μm的铂加热器埋设在双形梁的整个表面，以保证均匀高效的加热。悬臂的执行部分和支撑部分之间的桥结构确保了有效的热隔离。

数字2B为执行器的多层结构。顶部是Ti/Pt层，其次是Si层_3.N₄和SiO₂绝缘层、促进黏附层Ti和底基层Ni-Co。Pt, Si的厚度_3.N₄、SiO₂而Ni-Co薄膜的厚度分别为0.2、0.3、0.7、20和5 μm。

为了研究执行机构的温度分布和力学行为，利用有限元分析工具ANSYS进行了多物理模拟，结合了电热和静力结构分析。数字3.为有限元仿真的三维模型;执行器连接到由特氟龙片和覆盖玻璃组成的底板上。模拟是通过机械固定驱动器的支撑部分，而所有其他边界都是自由移动的。

当直流电压施加在Pt电阻上时产生热量。在稳态下，这些热量分别通过对流和传导散失到大气和底板中。驱动器的温度由热损失量决定。利用ANSYS的电热仿真模块计算了执行器的表面温度。这些数据被用来模拟由于CTE的差异而产生的热-机械变形。用于有限元模拟的材料的物理性能总结在表中1．大气温度设置为22°C以复制实验条件。

数字4介绍了电热作动器的制作过程。1 μ m厚的SiO层₂使用低压化学气相沉积(CVD)沉积在硅晶圆上，以确保与硅载体晶圆的电隔离。然后通过溅射沉积200 Å厚的Ti层和200 nm厚的Cu层，形成Ni-Co电镀的种子层。将光刻胶(PR)涂覆并模式化，以形成电镀框架。由于pr涂层区域没有被电镀，因此可以得到所需形状的Ni-Co薄膜。采用电流密度为每平方分米(ASD) 1 A的电镀设备，制备了厚度为5 μm的Ni-Co薄膜。去除PR后，Ti/Cu/Ni-Co薄膜仍然保留在Si载流子晶片上，SiO在其上₂已沉积(图5。4(5))。在Ni-Co膜上沉积了200 Å厚Ti层，提高了粘合力。随后，700nm厚的SiO₂和300 nm厚的Si_3.N₄在250°C下使用等离子体增强CVD沉积绝缘层。涂层和制模后，通过溅射沉积了40 nm厚的Ti粘接层和200 nm厚的Pt层。单独形状的铂金属化可以通过提起PR来形成铂加热器和电极。最后，对PR进行涂层和图案处理，然后对SiO进行湿法蚀刻₂,如果_3.N₄生产具有所需形状的薄膜驱动器。在该驱动器中，在Ni-Co金属薄膜上形成了粘附层、绝缘层和Ti/Pt金属化层。然后，将基于Ni-Co金属基板的执行器从Si载流子晶圆上剥离。

数字5显示了执行器的释放过程，释放标签形成于执行器的一端。在释放过程中，用镊子将释放标签的边缘划开(图5)。5(1))。然后，用镊子拉动释放标签，就可以将执行器从晶圆上剥离下来。5(2 - 4))。由于Ni-Co基体的弹性模量和屈服强度高，6 μm厚度的驱动器具有较高的柔性和机械强度，如表所示1．数字6显示了从Si载流子晶圆剥离后的驱动器。在发布过程中损坏的发布标签，用剪刀将其分开。

扫描电子显微镜(SEM) (SU8230，日立)在使用精密医疗剪刀切割驱动器的所有层，从Ni-Co衬底到Pt金属化层后，检查了驱动器的横断面结构和粘附强度。扫描电镜图像(图5)。7)未出现分层现象，说明各层之间的粘连强度较强。

在本研究中，测量了驱动器尖端的位移，并与仿真结果进行了比较。在有限元模拟中，对铂加热器施加1 ~ 14v的电压。给执行器的电能计算如下:

在哪里P，V,R分别表示Pt加热器的功率、电压和电阻。铂加热器的电阻随温度变化而变化;几乎所有导体都有这种特性。因此，电压1 ~ 14v对应的功率范围为0.0015 ~ 0.2422 W。分别从焦耳加热产生的热量和通过对流和传导到大气和底板的热量损失计算执行器的温度分布。在有限元模拟中，采用Pt加热器产生的热量、热损失和上述电阻的变化来计算执行器的温度。

数据8而且9分别给出了电机在2 V和14 V时的温度分布和变形的有限元模拟结果。形成铂加热器的悬臂温度分布均匀，但由于支撑部分的热损失，悬臂温度在支撑部分的外围迅速下降。

数字10显示了Pt加热器的温度与功率的函数关系。由于对流换热系数随功率的增加呈指数变化，温度随功率的增加呈指数增加。在功率为0.2422 W时，Pt加热器的最高温度约为149℃。

有限元模拟结果表明，由于SiO的CTEs的存在，悬臂梁的顶端出现了向上偏转的现象₂,如果_3.N₄绝缘层比Ni-Co柔性基板的绝缘层低。执行器顶部垂直位移达到1.44 mm。

数字11显示用于测试执行器性能的设备示意图。执行器连接到一个由特氟龙片和覆盖玻璃组成的底板上，如图所示。3.．氟在特氟龙是一个极具电负性的元素，表明在Ni-Co衬底和特氟龙片之间有弱范德华力。因此，使用特氟龙薄板来防止执行器粘在底板上。向Pt加热器提供1 - 14v电压(OPE-303QI, ODA)，并用CCD显微镜(AM7013MZT, Dino-Lite)测量偏转的变化。利用图像处理软件对致动器尖端挠度进行了精确测量，并与精密尺的比例尺进行了比较。

数字12显示获取的执行器和尺子的图像。在4 V时，对应0.0236 W的功率，执行器开始向上弯曲;在14 V时，偏转高度达到1.083 mm。最初，由于沉积过程中每层产生的残余应力，驱动器是向下凹的。因此，需要0.0236 W的功率来压平扭曲的执行机构;这可以通过绘制执行器尖端的偏转高度作为电力的函数得到证实。13)．图中的实心菱形和圆。13分别给出了实验和仿真数据。实验数据表明，当功率小于0.0135 W时，尖端位移基本不变，此后呈线性增加。空白菱形表示在x方向上移动实验数据−0.0135 W以补偿压平驱动器所需的功率的结果。仿真数据与补偿后的实验数据基本一致。根据实验数据和仿真结果，估算了基于镍钴柔性基板的电热致动器的变形特性。

本研究提出了一种双晶型电热致动器的设计。采用有限元模拟和实验方法对其挠度特性进行了评价。该驱动器具有多层结构，其中Pt加热器，SiO₂,如果_3.N₄在Ni-Co薄膜上沉积了绝缘层和促粘层。由于Ni-Co薄膜和绝缘层的CTEs不同，Pt加热器产生的热量导致薄膜弯曲。所提出的镍钴基驱动器与Si衬底分离，没有任何损伤，并粘附在其他结构上。这表明这种执行器可以应用于各种机电设备，如微镜子、折纸机器人和机械超材料执行器。

在实验结果中，只有当功率约为0.0135 W时才发生变形;之后，驱动器尖端的向上偏转随电源的增加呈线性增加，仿真结果证实了这一点。在14 V时，尖端偏转高度达到1.083 mm。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

感谢我们实验室(xACT实验室)成员对本研究的真诚评价。

本研究得到了韩国科学工程财团2020年教育科学技术部资助(NRF-2019R1F1A1060772)的支持。

作者和联系

1. 庆吉大学，38428，庆北庆山下阳邑加马路50号

   Suhwan Kim & Yongdae Kim

2. 韩国工业技术研究院安全系统研发组，大邱，韩国

   Woojin金

贡献

SK进行了主要的实验。WK建议采用有限元模拟方法。YK监督了这个项目。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Yongdae金．

相互竞争的利益

作者声明没有竞争利益(财务和非财务)。

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