ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ МИКРОАКТЮАТОР Российский патент 2002 года по МПК H01L27/00 

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и касается конструкции полупроводникового термомеханического микроактюатора. Оно может быть использовано в конструкциях широкого класса микроманипуляторов - микрореле, микроклапанов, микронасосов, микромодуляторов светового потока и пр.

Известен термомеханический микроактюатор, содержащий основание, лазерный нагреватель, исполнительный элемент и связанную с ним биметаллическую пластину, установленную с возможностью изгибания под действием нагревателя для перемещения исполнительного элемента (DE 19943017, F 03 G 7/06/ 2000).

Однако известная конструкция обладает значительной инерционностью и сложностью изготовления элементов, передающих движение от биметаллической пластины.

В качестве основного элемента конструкции термомеханический микроактюатор может содержать термочувствительный элемент, обладающий эффектом памяти формы. В этом случае прибор содержит также исполнительный элемент и узел направленной нагрузки по созданию силы смещения исполнительного элемента относительно термочувствительного элемента (RU 2091611, F 03 G 7/06, 1997).

Однако данная конструкция обладает низкой надежностью и нетехнологична при изготовлении с помощью технологий микроэлектроники.

Наиболее близким к заявляемому является полупроводниковый термомеханический микроактюатор, содержащий основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя. При этом электрический нагреватель выполнен в виде отдельного элемента и сформирован по месту прикрепления подвижной пластины к раме. Для повышения упругости перемещаемых элементов и увеличения передаваемого усилия подвижные пластины по месту прикрепления к раме со стороны, противоположной электрическому нагревателю, покрыты слоем полиимидного флуоресцирующего каучука. Такое покрытие концов подвижных пластин создает под действием температуры эффект изгибания по аналогии с действием биметаллической пластины (JP 2000246676, B 25 J 7/00; B 25 J 19/00; B 62 D 57/00; F 03 G 7/06; F 16 K 31/02, 31/70; Н 01 Н 37/14,37/52).

Однако данная конструкция является сложной. Она принципиально непригодна для эксплуатации при высоких температурах, в частности, из-за разрушения каучука. Кроме того, конструкция обладает значительной инерционностью, что не позволяет ее использовать в качестве быстродействующего микроманипулятора, например, при модулировании соответствующего светового сигнала.

Технической задачей предлагаемого устройства является упрощение конструкции и обеспечение надежной работы в экстремальных условиях по температуре. Дополнительной задачей является разработка варианта конструкции, обладающего малой инерционностью.

Решение основной технической задачи заключается в том, что в конструкцию полупроводникового термомеханического микроактюатора, содержащего основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя, внесены следующие изменения:
1) исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния;
2) данные элементы выполнены в виде одной детали;
3) указанная деталь имеет форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигаемым результатом заключается в следующем. Карбид кремния обеспечивает стабильность технических характеристик целевого изделия при работе в области высоких температур. При этом, как проиллюстрировано далее, из карбида кремния может быть выполнен мостик, обладающий хорошей гибкостью и упругостью для того, чтобы дополнительно не использовать легко разрушаемого каучукового покрытия.

На фиг.1 и 2 приведены варианты конструкции четырехплечего и двуплечего предлагаемого микроактюатора; на фиг.3 приведена схема работы микроактюатора в режиме модуляции светового потока.

Микроактюатор в четырехплечем и двуплечем исполнениях (фиг. 1 и 2) включает основание, выполненное в виде рамы 1, мостик 2 с исполнительным элементом 3, представляющим собой центральный участок мостика 2, который перекинут через окно рамы 1 и изолирован от нее с помощью электроизоляционного покрытия 4. При изготовлении рамы 1 из электроизоляционного материала или покрытия 4 не требуется. Мостик 2 выполнен из карбида кремния. Его концы жестко связаны с противоположными сторонами рамы 1. При этом на концах мостика 2 выполнены металлические контактные пластины 5 для подключения к источнику электрического тока. В данной конструкции мостик 2 используется в качестве как подвижной пластины, так и электрического нагревателя и исполнительного элемента одновременно. При этом исполнительный элемент 3 оказывается подвешенным в окне рамы с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя.

Инерционность микроактюатора уменьшается с уменьшением отношения площади мостика 2 к площади окна рамы 1. Поэтому для работы на высокой частоте при низкой механической нагрузке наиболее целесообразным является двуплечий вариант (фиг.2).

Исполнительный элемент 3 состыковывают с управляемым объектом (микронасосом, микрореле и др.). На фиг.2 приведен вариант микроактюатора, предназначенный для модуляции светового потока. С этой целью в центре исполнительного элемента 3 сформирован отражатель света 6 в виде тонкой металлической пленки. На элемент 6 направлен луч от лазера 7, отражение которого регистрирует фотоприемник 8.

При прохождении электрического тока через мостик 2 последний прогибается в результате теплового нагрева и расширения, перемещая исполнительный элемент 3. В частности, на фиг. 3 перемещение элемента 3 управляет подачей светового потока к фотоприемнику 8.

Совокупность основных элементов устройства фиг.2 известна из конструкции источника инфракрасного излучения (RU 2165663, Н 01 L 33/00, 2001). Для того чтобы ее можно было использовать в качестве микроактюатора, мостик 2 выполняют гибким, причем изгибание мостика 2 необходимо обеспечить при прохождении малых токов с тем, чтобы избежать существенного температурного воздействия на исполнительный элемент и связанный с ним объект управления. Только в этом случае мостик 2 обеспечит выполнение указанного в формуле изобретения функционального признака "исполнительный элемент ... подвешен в окне рамы с ... возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя". Технологически гибкость мостика 2 достигается выбором соотношения длины l мостика 2 к его толщине с учетом противоречивых требований: чем больше длина мостика, тем больше перемещение δ исполнительного элемента, но меньше механическая прочность.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено следующим образом.

Рабочую сторону кремниевой пластины ориентации (100) пассивируют термическим окислением при температуре 1200^oС в атмосфере, обогащенной кислородом, для формирования электроизоляционного покрытия 4 из диоксида кремния (SiO₂), на которое далее наносят слой карбида кремния (SiC) толщиной 0,8 мкм осаждением в установке магнетронного распыления из SiC-мишени под вакуумом при постоянном токе разряда 0,65 А, мощности 210 Вт и температуре 900^oС в течение 30 мин. На внешнюю поверхность напыленного слоя SiC наносят фоторезистивную маску, с помощью которой плазмохимически формируют мостик 2. Затем маску удаляют растворением в диметилформамиде. Затем с помощью химического травления подогретым до 75^oС водным раствором КОН (33 мас.%) производят микропрофилирование кремниевой пластины для образования основания 1 в виде рамы.

Далее на концах внешней поверхности элемента 2 формируют металлические контактные пластины 5 путем термического напыления никеля (Ni) в вакууме с последующей фотолитографической формовкой. При необходимости на центральный участок 3 (исполнительный элемент) мостика 2 наносят покрытие 6, форма и материал которого зависят от конкретного применения микроактюатора.

ПРИМЕР 1. Для работы в качестве модулятора светового потока изготавливают микроактюаторы согласно фиг.2. Окно рамы 1 представляет собой квадрат площадью 4 мм². Мостик 2 имеет длину 2 мм, ширину - 100 мкм и толщину d 1,5-10 мкм. Исполнительный элемент 3 площадью s 0,1-1,4 мм² снабжен отражателем 6 из никелевой пленки толщиной 0,4 мкм.

Длина волны полупроводникового лазера 7 равна 0,7 мкм. Фотоприемник 8 выполнен на базе фотодиода.

Микроактюатор подключен к источнику прямоугольных импульсов тока с амплитудой I, регулируемой в диапазоне от I=5 мА до I=200 мА, и частотой f=0-500 Гц. В зависимости от действующего значения тока, протекающего через мостик 2, изменяется температура элементов 2 и 3, а также перемещение δ элемента 3 (прогиб мостика 2). Значение δ определяют под микроскопом. Измерение температуры элемента 3 производят с помощью предварительно полученной в термостате градуировочной кривой зависимости температуры от электрического сопротивления между противоположными контактными пластинами 5.

Для наглядности представления амплитудно-частотной характеристики микроактюатора в режиме модуляции светового потока перемещение элемента 3 пересчитывают в относительное перемещение по формуле

где L - относительное перемещение исполнительного элемента 3, дБ;
δ₀ - перемещение элемента 3 при прохождении немодулированного тока через мостик 2, мкм.

Результаты приведены в табл.1. Как видно из таблицы, при толщине мостика d=1,5 мкм, площади исполнительного элемента s=0,1-0,5 мм² и значении тока I= 30-50 мА достигается надежный режим работы микроактюатора, характеризуемый перемещением исполнительного элемента 3 при подключении прибора к источнику тока на величину δ=2,8-4,2 мкм. В этом случае рабочая температура микроактюатора лежит в пределах от 125 до 510^oС. Увеличение толщины мостика до значения d=10 мкм при площади исполнительного элемента s=1,4 мм² приводит к уменьшению δ до 1,7-2,7 мкм в том же диапазоне температур. При больших значениях тока (80-150 мА в зависимости от толщины мостика 2) происходит тепловое разрушение микроактюатора.

Вариант микроактюатора, выполненный с d=1,5 мкм и s=0,1 мм², испытывают в режиме модуляции светового потока при амплитудных значениях I=30 и I=50 мА и скважности импульсов, равной 2,0.

Как видно из табл.2, инерционность данного варианта микроактюатора не сказывается на частотах не более 200 Гц, что подтверждается уменьшением амплитуды колебаний элемента 3 не более чем на 7 дБ. Поэтому в данном диапазоне частот приемное устройство 8 четко регистрирует модулированный световой сигнал. С увеличением модулирующей частоты электрического тока более 200 Гц амплитуда колебаний элемента 3 резко уменьшается (L<-10 дб) из-за существенного влияния тепловой инерционности прибора, вследствие чего на данных частотах модуляция светового сигнала невозможна.

ПРИМЕР 2. Микроактюаторы фиг.2 изготавливают в вариантах с мостиком 2 из SiC, Si, Pt₂Si и Cr (по 10 изделий из каждого материала). Геометрические размеры мостика 2: длина 2 мм, ширина 100 мкм, толщина 4 мкм. Элемент 6 не выполняют. Изготовленные образцы подключают к источникам постоянного тока величиной от 30 до 200 мА. Исследуют надежность микроактюаторов путем определения времени t наработки на один необратимый отказ из-за разрушения конструкции.

Результаты приведены в табл.3. Как видно из таблицы, наибольшей надежностью обладают микроактюаторы с мостиком 2, изготовленным из SiC. Эти приборы характеризуются временем наработки на один отказ f=1650 ч при I=50 мА (температура 500^oС) и 820 ч при I=70 мА (температура 920^oС). Микроактюаторы с мостиком 2 из Si и Pt₂Si при адекватных температурах имеют время наработки на один отказ 1130÷1280 и 75÷80 ч соответственно. Микроактюаторы с мостиком 2, выполненным из Cr, разрушаются наиболее быстро - через 350 и 5 ч при тех же температурных условиях соответственно.

Резюмируя представленные материалы, можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция значительно проще и технологичнее прототипной, поскольку в ней исключены элементы из полиимидного флуоресцирующего каучука, а нагреватель, подвижная пластина и нажимной элемент выполнены в виде одной детали. При этом изготовление данной детали из карбида кремния, как проиллюстрировано в примере 2, приводит к значительному повышению надежности целевого изделия.

Изобретение относится к микроэлектронному приборостроению и касается конструкции полупроводникового термомеханического микроактюатора. Технический результат - упрощение конструкции и обеспечение надежной работы в экстремальных условиях по температуре, а также разработка варианта конструкции, обладающего малой инерционностью. Сущность: микроактюатор содержит основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя. Исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния в виде одной детали, имеющей форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

1. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор, содержащий основание, выполненное в виде рамы, электрический нагреватель и исполнительный элемент из кремнийсодержащего материала, подвешенный в окне рамы с помощью как минимум одной подвижной пластины с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости рамы, в результате теплового расширения подвижной пластины под действием электрического нагревателя, отличающийся тем, что исполнительный элемент, подвижная пластина и электрический нагреватель выполнены из карбида кремния в виде одной детали, имеющей форму мостика, который перекинут через окно рамы и подключен к источнику электрического тока. 2. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор по п. 1, отличающийся тем, что при его использовании в качестве микроманипулятора нажимного действия для переключения контактов микрореле, в конструкции микроклапана и т. п. подвижная пластина выполнена четырехплечей и подвешена каждым плечом к соответствующему участку рамы. 3. Полупроводниковый термомеханический микроактюатор по п. 1, отличающийся тем, что для уменьшения его тепловой инерции подвижная пластина выполнена двуплечей.