本發明專利技術公開了一種基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器及其制備方法，其基本結構包含三段Bimorph驅動臂，兩段剛性直臂。Bimorph驅動臂為非磁致伸縮材料和磁致伸縮材料形成的多層結構，剛性直臂為非磁致伸縮材料。在外加磁場的驅動下，Bimorph驅動臂中磁致伸縮材料會發生膨脹，而非磁致伸縮材料不發生膨脹，因應力作用驅動臂會發生形變彎曲，帶動直臂傾斜，由于三段驅動臂彎曲的方向不一樣，同時彎曲角度互補抵消，保證了質量塊在整個垂直平動過程中始終與初始狀態保存平行。本發明專利技術結構簡單，驅動位移大，無橫向側移，運用MEMS加工工藝，可以集成MEMS執行器的驅動部件，促進MEMS執行器領域的發展和應用。
1、隨著科學技術的迅速發展，mems技術倍受重視，微執行器作為mems技術的一個重要分支，是許多微電子機械系統中的重要組成部分。微執行器作為最基本的能量轉換單元，一般是將電能轉化為機械能，從而實現一定的機械操作。根據驅動原理可分為以下四類：靜電式、電磁式、電熱式、壓電式等。目前，較為常用的是電熱式mems驅動器，特別是對于垂直平動驅動器來說，電熱式應用最為廣泛。例如，對于面向fts系統來說，mems掃描微鏡需要輸出垂直平動方向的大位移量，而bimorph驅動臂可以輸出角度變化量，無法直接輸出垂直平動的位移變化量，于是有研究人員設計研發了電熱式lsf型驅動結構，該驅動結構設計了兩組bimorph驅動臂線陣，第一組bimorph連接基底和外框，第二組bimorph則連接鏡面與外框，當電加熱驅動時，第一組bimorph驅動臂發生彎曲使外框與基底產生傾角，而第二組bimorph驅動臂使外框與鏡面產生傾角，由于兩組bimorph驅動臂長度相同，這就使鏡面驅動抬升后不會發生偏轉。然而，電熱式lsf型mems驅動器由于采用電熱驅動，其產生位移或驅動動力依然較小，電熱材料在頻繁的加熱冷卻過程中不僅存在反應滯后性，其材料本身的抗疲勞強度顯著下降，導致其耐久性和穩定性變差，而且電熱式lsf型mems驅動器的制備過程也存在著工藝復雜，產品一致性差等問題，導致其在實際應用中受到諸多限制。
>1、本專利技術的專利技術目的在于：針對上述存在的問題，提供一種基于磁致伸縮的lsf型mems微執行器及其制備方法，以克服現有電熱式雙lsf型mems微執行器所存在的技術缺陷。2、本專利技術采用的技術方案如下：一種基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，包括bimorph驅動臂，bimorph驅動臂為層狀膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成，在磁場驅動下，所述磁致伸縮材料發生膨脹伸縮，非磁致伸縮材料不膨脹收縮，由此使bimorph驅動臂彎曲變形而形成驅動力。
3、進一步，所述磁致伸縮材料選自鎳及其合金磁致伸縮材料、鐵基合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料中的一種。
4、進一步，所述非磁致伸縮材料選自鋁、鉑、銅、硅、二氧化硅、碳化硅、氮化鎵中的一種。
5、進一步，所述bimorph驅動臂為雙層膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成。
6、進一步，所述mems微執行器包括基底錨點，基底錨點的一端與第一bimorph驅動臂的一端連接，第一bimorph驅動臂的另一端與第一剛性直臂的一端連接，第一剛性直臂的另一端與第二bimorph驅動臂的一端連接，第二bimorph驅動臂的另一端與第二剛性直臂的一端連接，第二剛性直臂的另一端與第三bimorph驅動臂的一端連接，第三bimorph驅動臂的另一端與質量塊連接，以形成折疊式的串聯結構。
7、進一步，所述第一剛性直臂和第二剛性直臂由非磁致伸縮材料制成。
8、進一步，所述第一bimorph驅動臂、第二bimorph驅動臂以及第三bimorph驅動臂的長度分別為lb1、lb2和lb3，三段bimorph驅動臂的長度滿足lb2＝lb1+lb3的關系。
9、進一步，所述三段bimorph驅動臂的長度滿足lb1＝lb3＝lb2/2的關系。
10、進一步，所述bimorph驅動臂彎曲的角度為：△θ＝(β·lb)/tb·△α·△b，其中，β為bimorph的曲率系數，tb為bimorph的厚度，δα為兩層材料的磁致伸縮系數λ的差值，δb為bimorph上磁場的變化量，lb為bimorph驅動臂的長度。
11、進一步，本專利技術還包括一種基于磁致伸縮的雙lsf型mems微執行器的制備方法，包括如下步驟：
12、步驟1、清洗soi晶圓襯底，soi晶圓襯底從上到下依次包括頂硅層、二氧化硅層以及襯底硅層；
13、步驟2、在頂硅層上進行第一次光刻，光刻露出需要沉積磁致伸縮材料的窗口；
14、步驟3、在頂硅層的上表面沉積一層磁致伸縮材料作為磁致伸縮層；
15、步驟4、采用剝離工藝，剝離掉多余的磁致伸縮薄膜；
16、步驟5、在磁致伸縮層上沉積一層非磁致伸縮材料作為非磁致伸縮層；
17、步驟6、在頂硅層的上表面進行第二次光刻，圖形化露出需刻蝕的非磁致伸縮材料；
18、步驟7、利用干法刻蝕工藝，刻蝕非磁致伸縮材料；
19、步驟8、在襯底硅層上進行第三次光刻，圖形化需要刻蝕的襯底；
20、步驟9、采用干法刻蝕工藝，刻蝕掉襯底硅層，直到完全釋放出lsf型結構橋臂；
21、步驟10、采用硅干法各向同性刻蝕工藝，對正面進行刻蝕，刻蝕掉bimorph驅動臂下面的頂硅層，完成驅動臂的釋放。
22、綜上所述，由于采用了上述技術方案，本專利技術的有益效果是：
23、1、本專利技術提供的基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，利用磁致伸縮應變力進行驅動，結構簡單，驅動力和響應時間等參數明顯優于其他驅動方式；
24、2、本專利技術提供的基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，利用三段驅動臂串聯，實現了驅動結構的無橫向側移，水平垂直大位移運動，可以滿足相應的mems器件的工作需求；
25、3、本專利技術制備工藝簡單，利用微機械加工工藝，可以與許多結構集成構成mems系統中的執行器，如微鏡，換能器等，相比于電熱式微執行器，其技術優勢十分明顯。
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【技術保護點】
1.一種基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，包括Bimorph驅動臂，其特征在于，Bimorph驅動臂為層狀膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成，在磁場驅動下，所述磁致伸縮材料發生膨脹伸縮，非磁致伸縮材料不膨脹收縮，由此使Bimorph驅動臂彎曲變形而形成驅動力。
2.如權利要求1所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述磁致伸縮材料選自鎳及其合金磁致伸縮材料、鐵基合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料中的一種或者多種復合層材料。
3.如權利要求2所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述非磁致伸縮材料選自金屬或者非金屬中的一種或者多種材料復合層。
4.如權利要求3所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS微執行器，其特征在于，所述Bimorph驅動臂為雙層膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成。
5.如權利要求4所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述MEMS微執行器包括基底錨點，基底錨點的一端與第一Bimorph驅動臂的一端連接，第一Bimorph驅動臂的另一端與第一剛性直臂的一端連接，第一剛性直臂的另一端與第二Bimorph驅動臂的一端連接，第二Bimorph驅動臂的另一端與第二剛性直臂的一端連接，第二剛性直臂的另一端與第三Bimorph驅動臂的一端連接，第三Bimorph驅動臂的另一端與質量塊連接，以形成折疊式的串聯結構。
6.如權利要求5所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述第一剛性直臂和第二剛性直臂由非磁致伸縮材料制成。
7.如權利要求6所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述第一Bimorph驅動臂、第二Bimorph驅動臂以及第三Bimorph驅動臂的長度分別為LB1、LB2和LB3，三段Bimorph驅動臂的長度滿足LB2＝LB1+LB3的關系時，可以實現為側向位移和轉角。
8.如權利要求7所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述三段Bimorph驅動臂的長度滿足LB1＝LB3＝LB2/2的關系。
9.如權利要求8所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器，其特征在于，所述Bimorph驅動臂彎曲的角度為：△θ＝(β·LB)/tb·△α·△B，其中，β為Bimorph的曲率系數，tb為Bimorph的厚度，Δα為磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料的磁致伸縮系數λ的差值，ΔB為Bimorph上磁場的變化量，LB為Bimorph驅動臂的長度。
10.一種如權利要求1-9任一所述的基于磁致伸縮的LSF型MEMS執行器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
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【技術特征摘要】
1.一種基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，包括bimorph驅動臂，其特征在于，bimorph驅動臂為層狀膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成，在磁場驅動下，所述磁致伸縮材料發生膨脹伸縮，非磁致伸縮材料不膨脹收縮，由此使bimorph驅動臂彎曲變形而形成驅動力。
2.如權利要求1所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，其特征在于，所述磁致伸縮材料選自鎳及其合金磁致伸縮材料、鐵基合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料中的一種或者多種復合層材料。
3.如權利要求2所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，其特征在于，所述非磁致伸縮材料選自金屬或者非金屬中的一種或者多種材料復合層。
4.如權利要求3所述的基于磁致伸縮的lsf型mems微執行器，其特征在于，所述bimorph驅動臂為雙層膜結構，其由磁致伸縮材料和非磁致伸縮材料疊加形成。
5.如權利要求4所述的基于磁致伸縮的lsf型mems執行器，其特征在于，所述mems微執行器包括基底錨點，基底錨點的一端與第一bimorph驅動臂的一端連接，第一bimorph驅動臂的另一端與第一剛性直臂的一端連接，第一剛性直臂的另一端與第二bimorph驅動臂的一端連接，第二bimorph驅動臂的另一端與第二剛性直臂的一端連接，第二剛性直臂的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李易，焦文龍，姜森林，謝會開，
申請(專利權)人：北京理工大學重慶微電子研究院，
類型：發明
國別省市：
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