新型体微加工平行面内电热执行器的开发

《Sensors and Actuators A: Physical》：Development of novel bulk micromachined parallel in-plane electrothermal actuators

　　

研究人员开发了新型电热执行器，其具有大的面内位移，专为基于微机电系统（MEMS）的可调间距衍射光栅（MPDG）设计，用于光束转向应用。光束转向对于多种应用至关重要，例如投影显示技术、波长复用、光通信网络、光学相干断层扫描以及自动驾驶车辆中的微型激光雷达。研究人员开发了体微加工工艺流程，用于制造初始和改进型执行器设计。实验结果表明，这些执行器在6 V驱动电压下可产生高达177 μm的无负载面内位移，在20 V电压下负载位移范围可达137.6 μm，产生高达3.41 μN的力，且面外运动极小。使用所报告的执行器，在30 V驱动电压下，可在第1、第2和第3衍射级实现1.2°、2.3°和3.9°的光束转向角。

光束转向技术在投影显示、波长复用、光通信网络、光学相干断层扫描及自动驾驶车辆中的微型激光雷达等领域具有关键作用。基于微机电系统（MEMS）的可调间距衍射光栅（MPDG）通过机械方式改变光栅间距实现光束转向。目前常见的驱动方式中，静电梳齿驱动需较高电压且受吸合失稳限制，压电驱动存在非线性和行程不足问题，电热驱动虽电压低、力大，但现有电热执行器往往功耗高、面内位移有限，或伴有显著面外变形，不适合MPDG应用。为此，研究人员开发了新型体微加工平行面内电热执行器，旨在实现大面内位移、低功耗、小面外变形，以满足MPDG需求。

研究人员设计了两种新型执行器，分别称为Design A和Design B。两者均由内推执行器（PS）和外拉执行器（PL）通过拉梁（B1）和推梁（B2）连接至杠杆，通过焦耳热引起梁的膨胀，产生面内位移。Design A含2条不同宽度的平行梁，Design B含4条等宽平行梁。研究中经历两代迭代：初始（Initial）版本采用高电阻率器件层，需磷扩散掺杂提高导电性，但引入了梯度掺杂残余应力，导致面外变形；改进（Improved）版本使用低电阻率均匀掺杂器件层，消除了磷扩散步骤，并优化了制造工艺和梁尺寸，避免了面外变形。

在仿真方面，研究人员使用COMSOL Multiphysics进行了静态和动态热-电-机械有限元（FE）模拟。静态模拟分析了不同电压下的平均温度、功耗及温度分布，动态模拟评估了执行器梁的加热和冷却速率，确定了最大工作频率。制造方面，初始执行器采用SOI衬底，经磷扩散、金属化、背侧深反应离子刻蚀（DRIE）等步骤制成；改进执行器改用均匀掺杂低阻SOI，并调整了刻蚀顺序，利用低温硅DRIE和光刻胶掩模减少了工艺步骤和应力。实验表征包括无负载位移、负载力和平均温度测量，温度由电阻变化推算。

实验结果为：初始执行器虽能产生面内位移，但存在明显面外变形，因此未制作负载版本。改进执行器无面外变形，在6 V驱动电压下无负载面内位移最高达177 μm；在20 V时负载位移范围达137.6 μm，产生最大3.41 μN的力。实验结果与FE仿真吻合。在应用方面，研究人员设计了基于Design A执行器的MPDG，通过有限元仿真和光学仿真评估了光束转向性能。光学模拟显示，在30 V驱动电压下，第1、第2和第3衍射级的光束转向角分别可达1.2°、2.3°和3.9°。与文献中其他机械可调衍射光栅相比，该MPDG由于大负载位移和大孔径，展现出增强的光束转向能力。

无负载位移生成：实验测量了未连接负载时杠杆自由端的面内位移。初始Design B执行器在相同电压下位移显著高于初始Design A，但二者均因残余应力产生面外变形。改进执行器消除了这一变形，其中改进Design A执行器的无负载位移范围高于改进Design B，且因制造公差，实际位移可达177 μm（6 V），超出FE仿真预测的接触限制。

负载力生成：由于初始执行器存在面外变形，仅制造了改进执行器的负载版本。改进Design B执行器因平行梁数量加倍，在20 V时测得最大力为3.41 μN，而改进Design A在更高电压下测得较低力值。实验负载位移与FE仿真一致，验证了执行器在负载条件下产生大位移和力的能力。

应用：基于改进Design A执行器的MPDG设计包含锚固点、经典蛇形弹簧、旋转蛇形弹簧和保持弹簧。FE仿真显示，在30 V电压下，Design A和B执行器驱动的MPDG分别产生约？位移（原文缺失具体数值），最大应力远低于硅的屈服强度。光学模拟表明，随着驱动电压增加，衍射级位置移动，相对强度变化，实现了机械可调光束转向。

讨论与结论：研究人员指出，改进执行器在设计和制造上的优化使位移和力与FE仿真相符，消除了面外变形，满足了MPDG所需的大面内位移和足够驱动力。结论部分翻译如下：本研究设计并实验验证了新型大位移面内执行器（Design A和B）。初始版本通过磷扩散掺杂实现焦耳热驱动，但存在残余应力导致的面外弯曲。改进版本采用低阻均匀掺杂SOI衬底，无需磷扩散，实验结果显示其位移和力与FE仿真一致。改进Design A执行器在6 V时无负载面内位移达177 μm，改进Design B执行器在负载下产生高达3.41 μN的力，且无明显面外运动。初步光学仿真表明，在30 V电压下可实现第1、第2和第3衍射级1.2°、2.3°和3.9°的转向角。这些结果表明，改进执行器具备驱动MPDG实现光束转向的能力，可促进自动驾驶车辆中的微型激光雷达、数据中心波长选择开关（WSS）及材料表征微光谱学等应用。但实际应用仍需进一步改进制造工艺以提高器件良率，相关工作正在进行中。