专利名称：形状记忆合金复合膜热触发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型热触发器，具体是一种形状记忆合金复合膜热触发器，用于微机械和电子控制器件领域。
背景技术：
热触发器指在一定外界温度条件下，可以引发机械、电学等行为变化的控制器件，作为温控元件广泛应用于各种工业控制、电子仪器、民用电器、医疗器械等领域。热触发器可以由温度传感器、电子控制电路以及机械继电器组合而成，也可以利用对温度敏感而且可以直接由热能产生机械位移和驱动力的形状记忆效应和双金属效应实现热-机-电控制。对某些应用来说，后者具有控制灵敏、体积小、集成度高、结构简单、制造成本低的显著优势。现有的利用形状记忆合金的热触发器一般采用形状记忆合金板材、带材和丝材，通过传统机械加工和装配工艺加工而成。
经对现有技术文献的检索发现，如专利申请号为98804073.5的发明专利，在电化学电池组件中采用形状记忆合金热敏机构作为热制动断流器，在高温时阻止电流流过电化学电池，其中形状记忆合金热敏机构使用的是片状形状记忆合金材料并与其他机械部件组装而成。在专利申请号为89217454.4的实用新型专利中涉及在一种薄型的温度控制电气开关中利用形状记忆合金片在特定的温度下机械变形，断开电触头，防止电器过热工作。以上技术中形状记忆合金驱动结构均采用薄带材料制备，不仅尺寸大，加工和组装工艺复杂，而且与形状记忆合金薄膜相比具有热响应慢、功耗大，体积大，工艺复杂，不适应于批量化制备，难以与其他集成电子器件构成多点阵复杂控制器件等缺点，这些不足限制了它在集成电子控制系统中的应用。薄膜形式的形状记忆合金不仅可以保留体材料的机械和力学特性，而且工艺完全与微电子制造工艺相兼容，通过各种设计可以方便地与其它电子器件结构进行组合，构成微型、多功能、集成式的热控制机电器件。由于薄膜材料具有较大的比表面积，可大大改善形状记忆合金的散热问题，提高器件的热响应特性。通过对微结构和工艺的巧妙组合和设计，可以简易、有效地实现双向记忆效应，避免了体材料所需的复杂机械偏置结构和训练工艺，提高了微触发器的可操作性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种形状记忆合金复合膜热触发器，运用微机械加工技术进行微型化器件制备，使热触发器不仅在尺度和结构工艺上有了明显改善，而且性能和功能均可以得到显著提高，更适用于在多功能、复杂控制的机电控制系统中应用。
本发明是通过以下技术方案完成的，本发明包括形状记忆合金薄膜、硅偏置梁、硅固支框、触点、控制端口、间隔块、控制端口底座，其连接关系为形状记忆合金薄膜沉积在硅偏置梁之上，硅偏置梁两端由硅固支框连接并支撑，触点位于硅偏置梁中心与控制端口相对应的位置处，硅偏置粱与控制端口间的距离由间隔块确定，控制端口和间隔块位于控制端口底座上。
形状记忆合金具有热诱发相变的特殊性能，当温度低于马氏体相变温度时，材料发生相变，晶体结构从奥氏体向马氏体转变，伴随杨氏模量的变化，材料呈现较软且易变形的特点。当温度升高至奥氏体相变温度时，材料发生逆相变，晶体结构又转变为奥氏体结构，并且回复到原有的奥氏体形状。利用这种热诱发相变，可以将形状记忆合金材料设计成可以输出一定位移和力的驱动结构。
在本发明提出的形状记忆合金复合膜热触发器中，形状记忆合金薄膜直接沉积在硅偏置梁之上，由于形状记忆合金与硅热膨胀系数存在差异，在后续的晶化过程中将积聚了较大的热应力。当形状记忆合金发生相变时，伴随材料的力学性能的改变，热应力随之松弛和积聚(马氏体结构热应力松弛，奥氏体结构热应力积聚)，宏观上表现出不同形状和位移的改变。
本发明的热触发器的工作过程是在低于控制温度时，形状记忆合金为马氏体结构，由于热应力松弛，硅偏置梁呈现平直状态，位于其上的触点与控制端口接触，触发器处于闭合状态。当外界温度发生变化(如过流、过热)，并高于奥氏体相变温度时，形状记忆合金转变为奥氏体结构，热应力迅速重新积聚，形状记忆合金受到拉应力作用后，硅偏置梁带动触点向下弯曲，使触点与控制端口脱离，触发器处于开启状态。
根据热触发器的温度控制需要，可选用不同成份和比例的形状记忆合金材料。从理论上说，热触发器可以选择具有热诱发形状记忆效应的各类形状记忆合金材料，如NiTi基、Cu基、铁基等形状记忆合金。但是从实用角度出发，目前主要仍主要是以NiTi基合金为主。在这类形状记忆合金中通过加入第三元素可以调节马氏体相变温度，改善形状记忆行为，以满足各种不同温度控制需求。其中NiTiCu可以有效减小热滞效应，提高温度响应特性。使用NiTiPd、NiTiAu、NiTiPt等高温形状记忆合金可以达到高温场合温度控制的目的。
本发明具有实质性特点和显著进步，与现有技术相比，本发明由于采用了薄膜型形状记忆合金并用微机械技术制备，有机地利用了形状记忆合金和硅复合膜之间的力学耦合作用，在无需外加复杂的偏置结构条件下，即可实现双程形状记忆效应，使触点产生较大的位移和驱动力。当外部温度低于或高于相变温度时，不需外界能量，触发器即可正常工作。运用形状记忆合金薄膜工艺不仅可以与微机械工艺兼容，而且有效地改善了形状记忆合金固有的动态热响应的不足。因此，比较其它双金属和用形状记忆合金体材料制备的此类触发器，本发明具有结构简单、输出位移和驱动力较大、温度敏感、体积小、易集成、适应于大阵列控制和大批量生产的显著优点。
图1为本发明的结构示意2为图1所示结构剖面图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括形状记忆合金薄膜1、硅偏置梁2、硅固支框3、触点4、控制端口5、间隔块6、控制端口底座7，其连接关系为形状记忆合金薄膜1沉积在硅偏置梁2之上，硅偏置梁2两端由硅固支框3连接并支撑，触点4位于硅偏置梁2中心与控制端口5相对应的位置处，硅偏置粱2与控制端口5间的距离由间隔块6确定，控制端口5和间隔块6位于控制端口底座7上。
本发明实例中所选用NiTi形状记忆合金，采用富Ti的NiTi合金铸态靶材，NiTi靶材的成份重量百分比为Ti51-53％，Ni47-49％。
通过合金成分和溅射成膜工艺的严格控制，可以将形状记忆合金薄膜1的相变温度控制在一定范围内，本实例中形状记忆合金膜1的膜厚为3-6um，热触发器的温度控制范围为40-90℃，具有较好的热机械性能，即薄膜发生相变时可输出较大的位移和驱动力。。
通过光刻和化学刻蚀等微图形加工工艺，使形状记忆合金薄膜1仅保留在硅偏置梁2区域，有利于减小了薄膜应力对结构制备的影响，提高了热触发器的热敏感性。
硅偏置梁2的尺寸主要依据触点位移量、触点尺寸、接触压力、硅偏置梁2的疲劳寿命等因素设计而定。通常变形梁的长宽比应大于5∶1，考虑到工艺的可行性，形状记忆合金薄膜1与硅偏置梁2的厚度比为1∶(3-8)。硅偏置梁2采用<100>晶向硅片，由SiO2作掩膜，用光刻以及化学和物理硅刻蚀工艺制备。
硅固支框3与硅偏置梁2由同一硅片构成，在刻蚀硅偏置梁2的同时形成硅固支框3。
触点4置于在硅偏置梁2中心位置，由光刻、溅射结合微电镀方法制备而成，触点4材料应选择导电性好、抗氧化、耐磨损的金属材料，如Au、Ni等材料。
控制端口5根据需要可以是单点或多点阵排布，控制端口5的形状和布局应与触点4相匹配，一般控制端口5尺寸应小于触点4尺寸。
选用绝缘材料如玻璃、氧化硅等作为控制端口底座7材料，通过溅射将金属薄膜如Au/Ti，Al/Ti沉积在控制端口底座7上，并用光刻和化学腐蚀得到所设计的控制端口5和连线。
控制端口5与触点4间的间距根据实际形状记忆合金复合膜的位移值确定。由光刻、化学腐蚀方法在控制端口底座7上精确刻蚀出间隔块尺寸。控制端口2和触点4之间严格对准并精密组装。组装方法可根据选用的控制端口2的材料选择阳极键合、共晶键合等适用于MEMS器件的固态键合技术，避免由其它键合方法如粘结剂键合或熔融键合可能引起的控制端口5和触点4间距离增大和触点氧化问题。
本发明选用可以实施阳极键合的Prexe玻璃作为控制端口底座7的基底材料。通过光刻并腐蚀技术得到隔离块6结构，将电极触点4和控制端口5通过对准符号和光刻对准方法精确对准，并使硅固支框3和间隔快6紧密接触，然后采用阳极键合技术使硅固支框3和间隔块6接触区域永久结合，组成完整的形状记忆合金复合膜热触发器经上述工艺过程制备得到的形状记忆合金复合膜热触发器温度响应范围为40-90℃，触发器响应时间为10ms，达到触发温度后，触发器可产生足够的位移(＞50um)和驱动力(＞250MPa)改变触点状态并确保触点和控制端口具有良好的电接触。
权利要求
1.一种形状记忆合金复合膜热触发器，包括形状记忆合金薄膜(1)、硅偏置梁(2)、硅固支框(3)、触点(4)、控制端口(5)、间隔块(6)、控制端口底座(7)，其特征在于，形状记忆合金薄膜(1)沉积在硅偏置梁(2)之上，硅偏置梁(2)两端由硅固支框(3)连接并支撑，触点(4)位于硅偏置梁(2)中心与控制端口(5)相对应的位置上，硅偏置粱(2)与控制端口(5)间的距离由间隔块(6)确定，控制端口(5)和间隔块(6)位于控制端口底座(7)上。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合膜热触发器，其特征是，形状记忆合金薄膜(1)采用磁控溅射方法和微图形技术沉积在硅偏置梁(2)上，构成双向运动的形状记忆合金复合膜热触发结构，形状记忆合金与硅的膜厚比为1∶3-8。
3.根据权利要求2所述的形状记忆合金复合膜热触发结构，其特征是，形状记忆合金薄膜(1)选用二元或三元的NiTi基形状记忆合金，如NiTi、NiTiCu、NiTiPd、NiTiAu、NiTiPt。
4.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合膜热触发结构，其特征是，控制端口(5)是单点或多点阵排布，控制端口(5)的形状和布局与触点(4)相匹配，控制端口(5)尺寸小于触点(4)尺寸。
5.根据权利要求2所述的形状记忆合金复合膜热触发结构，其特征是，硅偏置梁(2)两端由硅固支框(3)连接并支撑，在同一硅片上制成。
6.根据权利要求1或者2所述的形状记忆合金复合膜热触发器，其特征是，触点(4)位于硅偏置梁(2)中心与控制端口(5)相对应的位置上。
7.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合膜热触发器，其特征是，控制端口(5)位于控制端口底座(7)上。
8.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合膜热触发器，其特征是，触点(4)与控制端口(5)之间的间距由间隔块(6)确定。
9.根据权利要求1所述的形状记忆合金复合膜热触发器，其特征是，硅固支框(3)和间隔块(6)接触区域永久结合。
全文摘要
一种形状记忆合金复合膜热触发器，用于微机械和电子控制器件领域。包括形状记忆合金薄膜、硅偏置梁、硅固支框、触点、控制端口、间隔块、控制端口底座，其连接关系为形状记忆合金薄膜沉积在硅偏置粱之上，硅偏置梁两端由硅固支框连接并支撑，触点位于硅偏置粱中心与控制端口相对应的位置上，硅偏置粱与控制端口间的距离由间隔块确定，控制端口和间隔块位于控制端口底座上。本发明运用形状记忆合金薄膜不仅可以与微机械工艺兼容，而且有效地改善了触发器的热响应特性。与其它此类触发器相比，本发明具有结构简单、输出位移和驱动力较大、温度敏感、体积小、易集成、适应于大阵列控制和大批量生产的显著优点。
文档编号H01H37/32GK1604258SQ20041006760
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者徐东, 刘毓舒, 蔡炳初, 袁振宇 申请人:上海交通大学