热微纳驱动系统类型简介

采用热微纳驱动方式的系统可获得较大的驱动力，几何尺寸比例小，而且它还有驱动电压低、变形大、结构简单、易于集成制造等特点。另外，热微纳驱动中，热膨胀是材料的普遍行为。温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成的结构的尺寸和体积都会变大。在MEMS领域内，一般有以下三种主要的热微纳驱动结构类型：①热双金属片结构；②弯曲梁结构；③热空气结构。

1.热双金属片结构

热双金属片结构不仅具有线性的位移-能量关系，而且具有驱动电压低、驱动力大、行程大、结构及制造工艺简单、驱动能源易获得、易于集成等特点，因此其应用前景广阔。

图2-22　双金属热致动器的结构简图

对于传感和执行而言，利用热双金属片效应是很常用的方法。它是把两片热膨胀系数不同的金属结合成三明治结构，加热器夹在两层键合材料中间。如图2-22所示，受热时，由于一片金属的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银继电器动作，从而控制加热/冷却电路中的电流。

双金属热致动器的材料不一定非得是金属，也可以是两种热膨胀系数不同的晶体，这时可称为双晶片热激励。(www.xing528.com)

注意，双金属片的上升高度受悬臂梁的长度、两种材料的热膨胀系数之差、结构厚度、温度变化量ΔT的影响比较大，而与弹性模量、悬臂梁的宽度关系不大。为了使结构达到最大上升高度，在进行结构设计时，除了要使温度变化量ΔT达到最大外，还应该增大结构材料的热膨胀系数之差和悬臂梁的长度，减小悬臂梁的厚度，同时尽可能使两种结构材料的厚度相等。

2.弯曲梁结构

用弯曲梁电热驱动执行器可产生面内位移，这是一种基于单一材料的热执行器。弯曲梁结构是用不同尺寸、同一种材料的梁组成的双梁结构，在电极上加以适当的电压，形成冷臂、热臂和弯曲段。由于热臂的面积比冷臂小得多，因此其电阻大，进而发热量比冷臂大得多，有较大的热膨胀量，故整个结构将向冷臂方向弯曲。停止加热，由于热量散失，梁将回到初始位置。在单一材料组成的热执行器中，横向驱动热执行器应用广泛，它基于微结构（由同一种导电材料制成的两臂组成）的不对称热膨胀工作，即电流通过时，两臂由于横截面积或长度不同而具有不同的热功率和热膨胀，从而导致不同的纵向膨胀。

3.热空气结构

热空气结构的基本工作原理为当电阻发热时，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀产生位移；当停止加热，膜又回到原来的位置。这种结构的典型应用就是微结构气体传感器。微结构气体传感器是集成气体传感器阵列的最小单元，它直接影响阵列产品的质量。微结构气体传感器是采用微电子、微机械加工和薄膜等技术制成的新一代气敏元件。它具有灵敏度高、选择性好、响应时间短、稳定性强、功耗低等优点，而且能够进行精确的温度控制；另外，其凭借体积小、自动化程度高和批量生产成本低等优势，容易实现传感器的阵列同信号采集和处理电路集成，易智能化。

微结构气体传感器的核心是Si外框架支撑的膜片上由加热器、温度传感器和气敏薄膜形成的有源区（active area），这层膜片使加热的有源区和外框架之间实现热隔离，Si外框架和电极引线的温度保持在室温。

气体传感器是集物理性能、化学性能、电性能于一体的微电子器件，考虑到气体传感器和大部分化学传感器一样，对电势和电压的测定、选择性、灵敏度、响应时间及传感器的恢复都依赖于温度，因此在微结构气体传感器的结构设计中，加热和测温单元的加入必不可少。目前，已有很多材料可用来作微结构气体传感器的加热电阻，如NiFe合金、SiC膜、扩散电阻、多晶Si膜、金属Pt等。