基于电热Al-SiO2双材料的微夹持器研究

2024-12-30 Mon
基于电热驱动的Al-SiO₂双材料微夹持器的研究学术背景微夹持器（microgripper）在微米和纳米尺度的组装与操作中扮演着至关重要的角色，广泛应用于微电子、MEMS（微机电系统）和生物医学工程等领域。为了确保对脆弱材料和微小物体的安全操作，微夹持器需要具备高精度、快速响应、易于操作、强可靠性和低功耗等特性。尽管已有多种驱动机制的微夹持器被开发出来，如静电驱动、电磁驱动、光驱动等，但这些技术仍存在一些局限性，例如光驱动微夹持器需要特定的光源和光学路径，静电驱动微夹持器需要高电压，电磁驱动微夹持器则涉及复杂的磁场生成系统。因此，开发一种高性能、小型化、易于操作且广泛适用的微夹持器仍然具有重要意义。
电热驱动微夹持器因其结构简单、驱动电压低且能够实现显著的结构变形而备受关注。本文研究团队开发了一种基于Al-SiO₂双材料（bimorph）的电热驱动微夹持器，具有大变形、快速响应、易于操作、强抓取力和高稳定性等特点，适用于多种微组装和微操作应用，特别是在电子封装领域。
论文来源本文由Hengzhang Yang、Yao Lu、Yingtao Ding等作者共同撰写，作者来自北京理工大学集成电路与电子学院、教育部集成声光电微系统研究中心等机构。论文于2024年发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上，题为“A microgripper based on electrothermal Al–SiO₂ bimorphs”。
研究流程与结果1. 微夹持器的设计与工作原理微夹持器的核心结构是电热双材料驱动器（bimorph actuator），由两种热膨胀系数（CTE）差异较大的材料（Al和SiO₂）组成。当施加电压时，双材料因热膨胀不匹配而产生应力，导致结构弯曲，从而实现微夹持器的开合操作。微夹持器在制造过程中由于残余应力自然处于闭合状态，通过温度控制可以轻松实现开合状态的切换。
设计细节：双材料驱动器：Al和SiO₂的热膨胀系数差异较大，能够实现显著的变形。
电阻加热器：在双材料中嵌入Pt电阻，通过焦耳热将电能转化为热能，驱动结构变形。
独立控制：每个驱动器都配备独立的电阻加热器，能够实现精确的单独控制。
2. 制造工艺微夹持器的制造采用了独特的微加工工艺，主要包括以下步骤：
1. SiO₂沉积与刻蚀：在硅片上沉积400 nm厚的SiO₂层，并通过反应离子刻蚀（RIE）进行图案化。
2. Pt沉积与剥离：溅射100 nm厚的Pt层，并通过剥离工艺进行图案化。
3. 绝缘层沉积：沉积100 nm厚的SiO₂层，确保Pt和Al之间的电绝缘。
4. Al沉积与刻蚀：沉积500 nm厚的Al层，并通过RIE进行图案化，定义驱动器和电路。
5. 释放步骤：使用SF₆气体蚀刻硅片下方的材料，快速完成驱动器的释放。
3. 实验结果3.1 微夹持器的变形特性实验表明，微夹持器在5 V电压下能够实现超过100度的弯曲变形，响应时间在10 ms以内。通过调节驱动电压，可以精确控制微夹持器的变形角度。此外，微夹持器的四个驱动器可以独立控制，实现多种操作模式。
3.2 抓取实验微夹持器成功抓取了直径为500 μm的PMMA微珠，并通过振动和冲击测试验证了其抓取强度。在振动测试中，微夹持器能够承受35 g的平均加速度；在冲击测试中，能够承受超过1600 g的冲击加速度，表现出优异的抓取性能。
3.3 应用测试微夹持器成功完成了对直径为400 μm的焊球的“拾取-放置”操作，展示了其在电子封装领域的应用潜力。
4. 讨论与改进尽管微夹持器表现出优异的性能，但仍有一些改进空间。例如，相邻驱动器之间的间隙较大，可能影响对更小物体的抓取。通过引入硅通孔（TSV）技术，可以进一步提高设备的集成度。此外，驱动器的热分布不均匀，导致根部温度较低，影响了变形效果。未来可以考虑使用热隔离材料来改善这一问题。
结论本研究开发了一种基于Al-SiO₂双材料的电热驱动微夹持器，具有低驱动电压、大变形、快速响应等优点，适用于多种微操作应用。通过振动和冲击测试，验证了其优异的抓取性能和可靠性。该微夹持器在电子封装等领域具有广泛的应用前景。
研究亮点大变形与快速响应：微夹持器在5 V电压下能够实现超过100度的弯曲变形，响应时间在10 ms以内。
强抓取力：在振动和冲击测试中，微夹持器表现出优异的抓取性能，能够承受高达1600 g的冲击加速度。
独立控制：四个驱动器可以独立控制，实现灵活的操作模式。
应用广泛：成功应用于电子封装中的焊球“拾取-放置”操作，展示了其在实际应用中的潜力。
研究意义该研究为微操作领域提供了一种高性能的微夹持器，具有低驱动电压、大变形、快速响应等优点，适用于多种微组装和微操作应用。特别是在电子封装领域，该微夹持器能够实现高精度的焊球操作，具有重要的应用价值。