可變輸出力及位移量微致動器之設計與實作

Received : May 26, 2006 ©2006 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851 Accepted : June 3, 2006

可變輸出力及位移量微致動器之設計與實作

邱建清、黃世疇* 國立高雄應用科技大學 機械工程系 *E-mail：[email protected]

摘 要

由於電熱式微致動器在高輸出力的特性下，相對的也降低了輸出位移量，當微系統所需 的致動力不大，但對輸出位移量又有某一程度要求時，此種電熱式微致動器便無法符合要求。 本文設計一可變輸出力及位移量的微致動器，它是利用一個可調支點位置的微槓桿機構，一 端以電熱式V 型組合懸樑微致動器作為輸入，此種電熱式 V 型組合致動器具有高輸出力及低 位移量的特性，利用槓桿原理和支點位置的調整，在槓桿另一端即可達成變輸出力和變位移 量的結果。 在分析分面是以有限元素分析軟體ANSYS 分析電熱式 V 型組合懸樑微致動器，並得到 微致動器在不同設計參數下的輸出結果。在實作方面是以SU-8 厚膜光阻製程與微電鑄製程分 別製作微致動器與微槓桿機構，並量測其在不同電壓負載下的輸出結果。 關鍵字：微致動器、微槓桿機構、SU-8 厚膜光阻、微電鑄

1. 前 言

在微機電系統裡，致動器是不可或缺的，且佔有舉足輕重的地位[1]。就像是在常尺寸下 的運動來源，如直線運動或是圓周運動，在微機電系統裡的運動也是如此，所以我們將這些 運動來源稱為微致動器。微致動器的特色是反應快、頻率高、驅動力小、能量消耗低、控制 更精準[2、3]。 由於電熱式致動器具有高輸出力、驅動電壓低、結構簡單、操作容易等特性，所以在一 些微機電系統裡，電熱式微致動器的使用是相當普遍的。但電熱式微致動器相較於其它種類 微致動器，如靜電式、電磁式致動器等，其輸出位移量較小。本文希望能夠以一個具有高輸 出力和低輸出位移量的電熱式V 型組合懸樑微致動器作為輸入，利用槓桿原理，配合可調槓 桿支點位置的機構，此可調支點的作動方式是利用另一個電熱式單一V 型懸樑微致動器作運

動，於槓桿另一端產生可變的輸出力及位移量，以達成微機電系統所需的致動力和致動距離。 國內對於微致動器設計的研究大部分都是以結構的分析[4、5]、結構改良的性能提升[6、 7]、最佳化設計[8]等。國外對於微致動器設計的研究大多是以改變致動方式[9]、結構方析 [10]、結構改良[11、12]、陣列組合的方式[13]，以改變輸出力、輸出位移的表現，但這些改 善後的輸出表現是固定的，日後並無法應付因系統需要而須調整輸出表現的能力。國內外專 利部分，相關的專利有，具有波形樑結構之微致動器、同平面微熱致動器之相關製造方法、 多維可拉伸位移微致動器、電磁式微致動器之製程與結構、高頻寬無反衝力微致動器、微致 動器雙讀寫頭位致感測器等。[14-19]

2. 設計與分析

本文為了得到可變輸出力及位移量微致動器，設計一個可變支點位置的槓桿機構，並以 電熱式V 型組合懸樑微致動器驅動。首先設計電熱式組合 V 型微致動器的結構，並分析、模 擬其致動狀態，並討論不同設計參數對微致動器輸出的影響，在實作部分是以SU-8 厚膜光阻 與微電鑄製程來完成，其3D 立體模型如圖 1 所示。 圖1 可變輸出力及位移微致動器 3D 立體模型 本文使用有限元素分析軟體ANSYS 來分析電熱式 V 型懸樑微致動器在輸入電流後，因 材料本身的電阻造成溫度上升，導致結構體積膨脹，並在V 型懸樑尖端造成位移，並分析此 致動器之輸出性能。電熱式V 型懸樑微致動器可以藉由改變輸入電壓、懸樑角度、懸樑截面 積及組合懸樑的數目來改變微致動器的輸出性能。本文以有限元素分析軟體ANSYS 來模擬 V 型懸臂電熱式微致動器在不同參數下的溫度分佈狀態、輸出位移與輸出力量。 一般電熱式V 型懸樑微致動器大多使用矽作為結構，但本文的材料是使用鎳，因鎳具有 較大之電阻係數、熱膨脹係數與較小的熱傳導率，所以在電熱變形上有較好的表現。分析所

用到的材料性質列於表 1。為了簡化 V 型懸樑電熱式微致動器的分析，在分析時設定了一些 基本假設，包括材料是均質且等向的、材料的線性行為不會隨溫度改變、忽略殘留應力的影 響、微致動器對空氣無熱損失。在負載方面，本文使用給定電位差為負載。在邊界條件上， 除了兩端固定外，結構可自由變形。 表1 鎳材料性質 材料性質名稱 數值 楊氏係數 200×103Mpa 電阻係數 6.9×10-11ohm-µm 熱膨脹係數 13.2×10-6 /K 熱傳導係數 90.9×106pW/µm K 熔點 1453℃ 電熱式組合V 型懸樑微致動器致於兩端電極施加電壓負載，產生電熱變形，尖端將會往 前變形致動，可作為本文可變輸出力及位移微致動器之致動源與支點改變機構。施加不同電 壓負載對於微致動器溫度、輸出位移與力量間的關係如圖 2 所示，當施加電壓由 1V 增加至 5V、V 型懸樑角度固定 4、懸樑寬度為 10µm，則微致動器溫度由 50℃升高至 523℃、輸出位 移由2.72µm 增加至 24.819µm、而力量也由 2964µN 增加至 27034µN。 V 型懸樑的角度對於微致動器輸出性能的影響如圖 3 所示，當懸樑角度由 4°增加至 8°、 施加電壓固定 2V、懸樑寬度為 10µm，輸出位移由 5.48µm 降低至 3.06µm、而輸出力則由 5981µN 增加至 11933µN。所以 V 型懸樑的角度與輸出力成正比、與輸出位移成反比。 改變微致動器輸出性能主要因素是V 型懸樑的幾何形狀，而除了懸樑的角度外，另一因 素主要為懸樑的截面積大小，在此我們假設懸樑截面為正方形，所以懸樑截面積以懸樑寬度 來表示。V 型懸樑寬度對微致動器的影響圖 4 所示，當懸樑寬度由 5µm 增加至 25µm 時、施 加電壓固定2V、V 形懸樑角度固定 4°，則輸出位移由 5.925µm 減少至 3.54µm、而輸出力由 1477µN 增加至 37011µN。由此結果可以發現懸樑截面積與輸出位移成反比、與輸出力則成正 比。 當結合多個單一V 型懸樑微致動器，成為一個組合 V 型懸樑微致動器，懸樑數量對微致 動器輸出性能的影響如圖5。組合 1 至 5 個 V 型懸樑，在電壓同為 2V、懸樑角度同為 4°、懸 樑寬度為 10µm 情況下，增加組合懸樑數量對微致動器之輸出位移並無改變，但輸出力量則 由2950µN 增加至 15400µN。

0 10000 20000 30000 1 2 3 4 5 Voltage (V) force (μN) displacement X 1000 (μm) temperature (°C) 圖2 負載電壓與微致動器溫度、輸出位移和力量 之關係 0 5000 10000 15000 4 5 6 7 8 V-beam angle (∘) force (μN) displacement X 1000 (μm) 圖3 V 型懸樑角度與微致動器輸出位移、力量之 關係 0 10000 20000 30000 40000 5 10 15 20 25 V-beam size (μm) force (μN) displacement X 1000 (μm) 圖4 V 型懸樑截面積與微致動器輸出位移、力量 之關係 0 5000 10000 15000 20000 1 2 3 4 5 V-beam numbers force (μN) displacement X 100 (μm) 圖5 V 型懸樑組合數目與微致動器輸出位移、力 量之關係

3. 實作與量測

本文在底板與槓桿機構部分是使用SU-8 厚膜光阻來作為結構材料，而微致動器因需要利 用電流通過V 型懸樑產生熱膨脹變形，所以使用金屬材料鎳來作為致動器結構，微致動器也 是使用SU-8 厚膜光阻經曝光顯影得到光刻模，利用電鑄技術將鎳沉積於光阻模內，最後將微 致動器電鑄結構釋放，可得到此微致動器之結構。 3.1 底板與槓桿機構之製作 在製程上是以 SU-8 厚膜光阻結合犧牲層，將底板與槓桿機構取下，製程流程圖如圖 6 所示，並配合製程說明如下：

步驟一、將晶圓經由清洗程序清洗後， 塗佈 Polyimide 作為犧牲層。

步驟二、在Polyimide 上濺鍍一層銅，作為 SU-8 光阻與 Polyimide 的中介層。

步驟三、在銅上面旋轉塗佈厚度為200µm 的 SU-8 厚膜光阻 步驟四、經微影製程在SU-8 光阻上得到槓桿機構。 步驟五、移除Polyimide 犧牲層，將結構釋放，最後以氯化鐵將中介層銅去除。 在底板的設計尚有一隻銷需要製作，本研究是利用雙層SU-8 技術得到，雙層 SU-8 的製 程是在上述步驟五後再途佈上一層SU-8，經微影得到結構，圖 7 為結構之 SEM 相片。 圖6 底板與槓桿機構製程流程圖 圖7 雙層 SU-8 製作底板與銷之 SEM 相片 晶圓 polyimide 銅 SU-8 光阻 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟五

3.2 電熱式 V 型懸樑微致動器之製作 此微致動器的製作是利用 SU-8 厚膜光阻製作光刻模與電鑄技術，以 SU-8 光阻製作出 100µm 厚度的光刻模，並將鎳電鑄於光刻模內，再將 SU-8 移除，可得到以鎳為材料的電熱 式V 型懸樑微致動器。製程流程圖如圖 8 所示，並配合製程說明如下： 步驟一、將晶圓經由清洗程序清洗後，濺鍍一層銅作為電鑄種子層。 步驟二、在銅上面旋轉塗佈厚度為100µm 的 SU-8 厚膜光阻。 步驟三、經微影製程在SU-8 光阻上得到所需的光刻模，SEM 相片如圖 9。 步驟四、以AZ 光阻將不需要電鑄，但卻露出的種子層部分遮蓋，以利電鑄進行。 步驟五、在SU-8 模具內電鑄鎳約 100µm。 步驟六、移除AZ 光阻、SU-8 光阻，並以氯化鐵蝕刻銅，得到微致動器結構，SEM 相片 如圖10 所示。 圖8 微致動器製程流程圖 晶圓 AZ 光阻 銅 SU-8 光阻 鎳 步驟一 步驟二 步驟三 步驟四 步驟五 步驟六

圖9 微致動器 SU-8 光刻模 SEM 相片 圖10 雙 V 型組合懸樑電熱式微致動器 SEM 相片 3.3 系統量測 在此說明電熱式微致動器的驅動方法與設備，並量測微致動器尖端最高溫度與致動位移 量等，再以電熱式V 型懸樑微致動器驅動變輸出力與位移微致動器機構，並量測合後之可變 輸出力與位移微致動器輸出位移等性能，組合後之可變輸出力與位移微致動器SEM 相片，如 圖11 所示。 圖11 經組合後之可變輸出力與位移微致動器 SEM 相片 在電熱式V 型懸樑微致動器量測上，使用設備有光學顯微鏡、電腦、電源供應器等，如 圖12 所示，是將微致動器在無輸出負載的狀態下施加電壓負載，量測得到微致動器輸出位移 與尖端最高溫度等數值，而不同驅動電壓與微致動器尖端輸出位移與最高溫度之關係，如圖 13、14 所示。

圖12 量測方法示意圖 組合後的可變輸出力與位移微致動器在相同的輸入位移（22.7µm）下，經由可變支點微 致動器施加不同電壓負載後，導致槓桿支點改變，而使得槓桿輸出端之位移改變，並與理論 計算值相較如圖15 所示。 在量測的過程中，發現在微致動器的最高溫度要比分析時的最高溫度高出許多，而且電 壓負載超過 1.2V 後，溫度開始劇烈的上升，在 1.5V 後便因溫度過高使得微致動器斷裂。會 產生此種誤差的原因，最主要是因微致動器在電鑄時難免會有雜質的滲入，造成微致動器材 料實際電阻值與理論值的誤差，使得微致動器的電阻值過高，產生的熱也愈多。所以本文之 微致動器在無輸出負載下，容許最高輸出位移約為42µm。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.4 0.6 0.8 1 Voltage (V) (μ m)

Microactuator output displacement (μm)

0 25 50 75 100 125 150 0.4 0.6 0.8 1 Voltage (V) (℃ ) Temperature(℃) 圖13 輸入致動器驅動電壓與微致動器尖端輸出 位移關係 圖14 輸入致動器驅動電壓與微致動器尖端最高 溫度關係 光學顯微鏡 Sample 電源供應器 精密移動平台 V

22 22.5 23 23.5 24 24.5 25 0.4 0.6 0.8 1 Voltage (V) (μ m) 輸出量測值 輸出理論值 圖15 不同可變支點致動器驅動電壓下槓桿輸出端量測位移與理論位移之關係

4. 結 論

本文利用有限元素分析工具ANSYS 模擬電熱式 V 型懸樑微致動器的致動，並分析 V 型 懸樑微致動器不同的電壓負載、V 型懸樑角度、懸樑截面積與不同組合懸樑數量對於微致動 器輸出性能的影響。在實作部分直接以SU-8 厚膜光阻硬烤後作為微夾撓性機構的材料，在電 熱式 V 型懸樑微致動器的製作上，則是利用 SU-8 厚膜光阻以光刻模造技術，結合鎳電鑄技 術得到。在量測結果上是藉由輸入不同的電壓來量測單一微致動器的輸出位移，並在組合後 的可變輸出力位移微致動器，藉由施加不同的電壓於可變支點致動器，使得槓桿支點改變， 量測在不同支點改變量下的輸入與輸出關係。經實驗結果得知，本研究之微致動器在無輸出 負載下，容許最高輸出位移約為42µm。

致 謝

本研究承蒙國科會補助，計畫編號：NSC 92-2212-E-151-002，特此致謝。

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