CN100408336C

CN100408336C - 一种热弹性膨胀元件

Info

Publication number: CN100408336C
Application number: CNB018177468A
Authority: CN
Inventors: 乔治·约翰·麦克沃依; 卡·西尔弗布鲁克
Original assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Current assignee: Silverbrook Research Pty Ltd
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: IL155490A0; AU1198502A; US7607826B2; US6793974B2; US7545251B2; EP1330411A1; JP2004510597A; CN1694842A; US20050058856A1; US20090212658A1; US20040059449A1; JP3863108B2; US7095309B1; SG125985A1; US20070243413A1; AU2002211985B2; US7887233B2; WO2002032806A1; KR20040021572A; US7270475B2

Abstract

一种热弹性膨胀元件，其由从下列组中选出的材料制成：钛、钽、钼、锯、铬、钨、钒和锆的硼化物、硅化物、碳化物以及氮化物，其中，所述材料具有由下列公式限定的无量纲常量：见右下式，在此，E是所述材料的杨氏模量，γ是热膨胀系数，T是最高的工作温度值，ρ是密度，C是比热，并且ε_c/ε_r大于1.74，其中ε_r为硅的无量纲常量。

Description

一种热弹性膨胀元件

共同待决的申请

2000年5月24日，本发明的申请人或受让人提出了与的下列共同待决申请中公开了与本发明相关的各种的方法、系统和设备，所述共同待决的申请如下：

PCT/AU00/00518，PCT/A000/00519，PCT/AU00/00520，

PCT/AU00/00521，PCT/AU00/00522，PCT/AU00/00523，

PCT/AU00/00524，PCT/A000/00525，PCT/AU00/00526，

PCT/A000/00527，PCT/AU00/00528，PCT/A000/00529，

PCT/A000/00530，PCT/A000/00531，PCT/A000/00532，

PCT/AU00/00533，PCT/AU00/00534，PCT/AU00/00535，

PCT/AU00/00536，PCT/AU00/00537，PCT/AU00/00538，

PCT/AU00/00539，PCT/AU00/00540，PCT/AU00/00541，

PCT/AU00/00542，PCT/AU00/00543，PCT/A000/00544，

PCT/AU00/00545，PCT/AU00/00547，PCT/AU00/00546，

PCT/A000/00554，PCT/AU00/00556，PCT/A000/00557，

PCT/AU00/00558，PCT/AU00/00559，PCT/AU00/00560，

PCT/A000/00561，PCT/AU00/00562，PCT/AU00/00563，

PCT/AU00/00564，PCT/AU00/00565，PCT/AU00/00566，

PCT/AU00/00567，PCT/AU00/00568，PCT/AU00/00569，

PCT/A000/00570，PCT/AU00/00571，PCT/AU00/00572，

PCT/AU00/00573，PCT/AU00/00574，PCT/AU00/00575，

PCT/AU00/00576，PCT/AU00/00577，PCT/AU00/00578，

PCT/AU00/00579，PCT/AU00/00581，PCT/AU00/00580，

PCT/AU00/00582，PCT/AU00/00587，PCT/AU00/00588，

PCT/AU00/00589，PCT/AU00/00583，PCT/AU00/00593，

PCT/AU00/00590，PCT/A000/00591，PCT/AU00/00592，

PCT/AU00/00594，PCT/AU00/00595，PCT/AU00/00596，

PCT/A000/00597，PCT/AU00/00598，PCT/AU00/00516，

PCT/AU00/00517和PCT/AU00/00511。

技术领域

在热弹性设计中，本发明涉及膨胀元件使用的材料、以及对那些材料的潜在适用性进行评价的方法。

在最初发展阶段，在热弯曲极小的致动器制做过程中，本发明用于区分和评价材料范围，所述材料可以应用在微电子机械系统(MEMS)中并展示较高特性，并且基于本领域的一些内容将在下文对所述材料做进一步的描述。然而，值得称赞的是，本发明不受特殊使用的限制，还可以同样适用于宏观设计，尽管整个设计所要考虑的事项有非常大的不同，并且的确也不复杂。

背景技术

需要指出的是热弹性致动器的特点在于利用压力、偏差和温度，这跟转换开关相反-即转换开关的特点在于应用偏差和温度升高。宏观热弹性制动器主要用作开关来激活其它更有效率的致动系统。然而，微观热弹性致动器是一个拥有众多吸引力的致动机械装置。这包括某些物理现象的缩小比例。例如，有可能制成非常细小的薄膜用来降低热量并使效率其损失最小化。相对的重力和惯性力在微观比例中就变得微乎其微了。其它的优势包括制作简单(虽然较简单的静电致动器更为复杂)、以及低压运转的可能性。劣势则包括由衬底材料的热传导率所决定的窄运转带宽——而这对于允许快速焙烧的电流应用来说则更具有优势。

输出力和偏差值的不同相关范围能够通过改变致动器几何形状获得。然而，致动的基本操作跟组成材料的机械和热特性有关。与有效设计相关的材料正确选择可以导致的结果有两种-要么致动器的尺寸较小、要么致动器的效率较高。这样的致动器可以增加晶片的产量，并且获得更多的商业利益。一个效率更高的致动器可以由电池提供动力来增加操作的简便性，以及不再需要贵重的电压变压器。增加热效率会提高操作烘烤频率以及降低外来热干扰的可能性。特别是，这跟微小设备内热制动器的排列有关。

然而，MEMS应用的材料选择并非如此简单。首先，印制的细小薄膜特性能够因为不同的构成方法、以及与在微观世界里面可靠地量化材料特性相关联的困难而产生很大的变化。其次，某些细小薄膜仅仅能够由某些层厚度构成，因为内部产生的应力能够造成衬底晶片损坏，并且产生卷曲。第三，只有某些材料能够应用在制作过程中，而且令人难以置信的是，所介绍的一种新型材料却能污染机器本身。

日趋发展

直到最近，在此应用中通常使用或者考虑使用材料的就是多硅、单晶硅。然而，申请人先前恰恰有了惊人的发现：氮化钛跟硼化钛/硼化铀在此应用上有着非常优秀的特性。

认识到这个惊人的发现是一个突破，申请人寻求尝试和识别可能的替代品以便热弹性系统的设计提供更多的选择和适应性。然而，对给出的不同材料来说，在它们的薄膜特性方面缺少可行性的数据，并且采用MEMS进行试验是花费惊人的，所以需要或者至少希望能够确定评价材料的方法——仅仅基于通常可得的宏观材料特性。

发明内容

因此，本发明的一个最终目标就是要确定替代材料的范围，所述替代材料可能能够潜在地在热弹性设计中展示较高特性，并且本发明的另外一方面，提供用于在同样的应用中对材料范围的潜在适用性进行评价的方法。

根据发明的第一方面，提供一种选择在热弹性设计中用作膨胀元件的材料的方法，该方法由推导用作这种用途的材料潜在效率的一个指标得出，上述的方法包括了根据下面的公式计算材料的一个无量纲常数εγ的步骤：

εγ＝Eγ²T/ρC

其中E是材料的杨氏模量，γ是热膨胀系数，T是运转温度最大值，ρ是密度，C是比热。

优选的是，所述选择方法包括相对于硅的无量纲常数对无量纲常数进行归一化到ε值的步骤，该ε值是通过将在相关温度下得到的所述感兴趣材料的εγ值除以在相同温度下得到的硅的ε的值而得出的。

相应的最大工作温度将依赖于其周围的材料和它们的功能，但是通常情况下则是氧化温度或者熔化点温度。

优选的是，所述选择方法包括由提前确定的电阻系数范围要求来去除某些特定材料的步骤。在一个优选的形式中，电阻系数范围在0.1μΩm和10.0μΩm之间。

根据发明的第三方面，提供一种用在热弹性设计的膨胀元件，它由从下列组中选出的任何功能上合适的材料或者材料的化合物制成：钛的硅化物和碳化物。

根据发明的第四方面，提供一种用在热弹性设计的膨胀元件，它由，从下列组中选出的任何功能上合适的材料或者材料的化合物制成：钽、钼、铌、铬、钨、钒和锆的硼化物、硅化物、碳化物以及氮化物。

根据发明的第五方面，提供一种用在热弹性设计的膨胀元件，它由从下列组中选出的任何功能上合适的合金材料或者合金材料的化合物制成：钛、钽、钼、铌、铬、钨、钒和锆的硼化物、硅化物、碳化物以及氮化物。

优选的是，根据发明的第三、第四或者第五方面，用在热弹性设计中的膨胀元件还具有下面特性中的一个或几个：

(l)电阻系数在0.1μΩm和10.0μΩm之间；

(m)在空气中呈现惰性化学性质；

(n)在被选的墨水中呈现惰性化学性质；

(o)可由CVD、阴极真空喷镀或者其它细小薄膜沉积技术来沉积。

附图说明

发明第一方面中常量值ε的来源，跟该常量来源值的样品应用和例子、以及一定范围内材料中的其它特性，一起参照相应的附图作如下的详细描述：

图1显示的是热弹性致动器的示意图。

图2显示的是单一材料的夹持/自由钛梁(长为20微米、厚1微米、宽5微米)纵轴为功，横轴为热能的曲线图；

图3显示的是从图2中得出的，夹持/自由钛梁的纵轴为膨胀率，横轴为温度的曲线图；

图4显示的是由钛和硅制成的热弹性致动器的纵轴为机械功，横轴，为热能的曲线图。

具体实施方式

一个无量纲材料致动功率表示的是评定热弹性设计材料的潜在应用。该方法基于材料的热特性和机械特性，并且协助材料选择的结构方法进行有效地设计。

材料的致动效率

致动器的特性在于偏差、压力、运转温度的组合，相对来说开关的特征只在于运转温度和偏差。基本热弹性设计的特征就是两粘结层不同程度的纵向膨胀。这样，孤立的无粘层膨胀与全局特性有着直接的关系。此处用单一的材料梁来阐明材料致动效率。这种方法很简单并且与普通的热弹性设计有关。这个结论是假设在整个温度范围内材料特性是恒定不变的情况下得出的。

式1至式3是基本的热机械方程式，用来描述承受热量Q的单一材料粱的动作，如图1中所示。式1描述的是自由/自由梁的延伸δL，式2描述的是夹持/夹持梁的反作用力F。

δL＝γL₀T (式1)

此处：δL＝梁的延伸量，L₀＝梁的初始长，T＝工作温度(温度上升)，γ＝梁的热膨胀系数

F＝AεγT (式2)

F＝梁膨胀所受压力，A＝梁横截面积，E＝杨氏模量。

Q＝VρCt (式3)

此处：Q＝输入的热能，V＝梁的体积，ρ＝密度，C＝梁的比热

式4给出了潜在的机械功，并且做了详细说明夹持梁产品的力F以及自由梁的偏差δL。热输入和输出机械功用于简单单片集成梁之间的二次方程关系如图18所示。

W＝FδL (式4)

此处：W＝机械功

式5描述的是无量纲热弹性致动效率，并且表示为式3和式4所描述的机械功和热能的商。该效率独立于几何学，并且是潜在应用于热弹性设计材料的主要指标。简支梁致动效率和材料温度之间的线性关系见于图3所示。图中表明，高温运行对于最大效率来说是所需的。由于受适用工作温度的限定，因此，不同材料的图的长度不同。在本文内所做的假设就是：工作温度是材料熔化点，因为可操作的热范围是可预见的。这样，材料致动效率ε被定义为所述材料在最高可行性温度T的致动效率。效率曲线的范围是一个常数m_ε，在式6里面定义了m_ε。ε和m_ε的结合成分非图形地体现了一个材料致动特征。

(式5)

(式6)

材料选择

不同的细小薄膜材料包括具有极端特性的材料(PTFE-高g，钻石——高E)，并且所有的主要CVD组包括表2所示的硼化物、硅化物、氮化物和碳化物组合而成。效率数值按照硅效率数值进行分配，因为分配数值所包含的内容很大程度上使得下文描述的设计方程式简单化了。在材料选择的过程中，与参考材料相关的材料缩放比例和对照比较是一个完整的步骤。另外，缩放比例也导致下面对比阐明的指标更容易读。选择硅作为参考材料就在于它在半板印刷制作中具有的优势。

热弹性致动的初步候选是按照功率和范围进行选择。然而，很重要的一点就是要注意两种材料具有相同的ε，但是不同的m_ε将输出的任何几何常量有不同的功(见下面的对比例1，也要求不同量的热能)。这里，三个重要的设计参数设定为热输入、输出功以及体积。一个设计矩阵通过变换每个参数来建立，然后用于选择适当的材料。下面的对比表格用于矩阵设计的排列。

在此：

γ＝热膨胀系数

E＝杨氏模量

ρ＝密度

C＝比热

O.T.＝氧化温度

M.T.＝熔化温度

m_ε＝效率范围(硅m_ε值的规格化，规格化硅值m(r.ε)＝0.8865e-06)，

ε_c＝材料指标(硅ε值的规格化，规格化硅值ε_r＝1.25e-03)，

KXX＝热传导率

R＝电阻系数

对比例1

在用于体积不变梁的一种材料和硅之间，我们把机械功和热输入做一下比较。这样，对比例1中计算可能相关的最大功以及根据材料的直接替代要求相关联的热输入。不同材料对比的细节包括在表3内，即CVD陶瓷制品作为致动器材料远优于硅(表3中使用熔化点，表4中使用氧化温度)。氮化钛在热量输入是硅的4.41倍情况下，产生机械功是硅的159.3倍。式8中的因数和缩放材料效率比(表2所示)多次出现在下面的对比例中以便用来阐明方法的功能多样性。

\frac{W_{c}}{W_{r}} = \frac{ϵ_{c} Q_{c}}{ϵ_{r} Q_{r}} = \frac{ϵ_{c}}{ϵ_{r}} (\frac{ρ_{c} C_{c} T_{c}}{ρ_{r} C_{r} T_{r}})

(式7)

下标r表示的是在此情况下参考材料为硅。下标C表示的是对比材料。

\frac{Q_{c}}{Q_{r}} = (\frac{ρ_{c} C_{c} T_{c}}{ρ_{r} C_{r} T_{r}})

(式8)

对比例2

不同的材料在体积不变的情况下，当受到等量的热能时，升高的温度不同。材料体积根据下述约束条件而与硅的体积保持一定比例：相同的硅热能量既输入到致动器，又输入到对比的材料内，从而达到自身的运行温度。这样，致动效率值保持不变，因为它不是体积的函数，并且达到可运行的温度(正如式5所示)。对比例2代表了设计例——此处热和体积是重要因素。

采用式9和式10计算比例体积和输出的机械功。通过修改一个几何尺寸，也就是说修改长度、宽度或者厚度来改变体积。在输入同样的热能的情况下，氮化钛相对于硅可以产生36.1倍的机械功，而体积仅仅0.23倍。下面的式9是式8转换的方式，而式10则只是包括表2中的比例效率数。

Q_{r} = V_{r} ρ_{r} C_{r} T_{r} = Q_{c} = V_{c} ρ_{c} C_{c} T_{c} &DoubleRightArrow; \frac{V_{(c, Qr)}}{V_{r}} = \frac{ρ_{r} C_{r} T_{r}}{ρ_{c} C_{c} T_{c}}

(式9)

在所述的式中，括弧里面的头一项指的是构成横梁的材料。第二项指的是所描述的参数的约束变量。例如：W(c，Vc)＝对比材料横梁结构体积所产生的机械功输出Vc。

\frac{W_{(c, Vc)}}{W_{(r, Vr)}} = \frac{ϵ_{c} Q_{r}}{ϵ_{r} Q_{r}} = \frac{ϵ_{c}}{ϵ_{r}}

(式10)

对比例3

输出机械功来自于对比恒定体积梁的硅热能。运行温度和效率值用来评估对比材料的变化。然而，采用新旧运行温度乘法比率的效率很容易地计算出来，这是因为温度和效率(图3所示)之间存在着线性关系。新的运行温度和功由式11和式12给出。这个比较表明在设计当中，热是一个非常关键的参数。

当受到输入硅热值的影响时，PTFE将会熔化。二硅化钛要好于氮化钛，这是由于更高的计算运行温度(表3)。

Q_{r} = V_{r} ρ_{r} C_{r} T_{r} = Q_{c} = V_{c} ρ_{c} C_{c} T_{(c, Qr)} &DoubleRightArrow; T_{(c, Qr)} = T_{r} (\frac{ρ_{r} C_{r}}{ρ_{c} C_{c}})

(式11)

对比例4

\frac{W_{(c, Qr)}}{W_{(r, Qr)}} = \frac{ϵ_{(r, Qr)} Q_{r}}{ϵ_{r} Q_{r}} = \frac{T_{(r, Qr)} ϵ_{2}}{T_{c} ϵ_{r}} = (\frac{ρ_{r} C_{r} T_{r}}{ρ_{c} C_{c} T_{c}}) \frac{ϵ_{c}}{ϵ_{r}}

(式12)

按照限定条件，即要求维持对比材料和硅的运行温度，从而材料体积和硅体积要保持比例关系。这样，如果硅做功值少于一般功，那么体积相应减少；否则，体积要根据PTFE或者无结晶二氧化硅的变化情况而增加。材料运行效率在式14转换的那样重新计算。

在体积小于两个数量级，输入热能小于一个数量级时，氮化钛能够产生出跟硅同等量的功。

W_{r} = V_{r} E_{r} γ_{r}^{2} T_{r}^{2} = W_{c} = V_{c} E_{c} γ_{c}^{2} T_{c}^{2} &DoubleRightArrow; \frac{V_{(c, Wr)}}{V_{r}} = \frac{E_{r} γ_{r}^{2} T_{r}^{2}}{E_{c} γ_{c}^{2} T_{c}^{2}}

(式13)

\frac{Q_{(c, Vc)}}{Q_{(r, Vr)}} = \frac{ϵ_{r} W_{r}}{ϵ_{c} W_{r}} = \frac{ϵ_{r}}{ϵ_{c}}

(式14)

对比例5

对于不变体积梁的输出硅机械功，与输入热能做一下对比。运行温度以及比较材料的效率值发生变化。在相同的方式下，能够计算对比例3中所描述的新功率。应用式15和式16计算运行温度和输入热量值。

表中显示的是在PTFE和二氧化硅都熔化的情况下，二硅化钛要稍微好于氮化钛。CVD制陶技术又能展示自己的最佳性能。

W_{r} = V_{r} E_{r} γ_{r}^{2} T_{r}^{2} = W_{c} = V_{c} E_{c} γ_{c}^{2} T_{c}^{2} &DoubleRightArrow; T_{(c, Wr)} = (\frac{γ_{r}}{γ_{c}}) \sqrt{\frac{E_{r}}{E_{c}}}

(式15)

\frac{Q_{(c, Wr)}}{Q_{(r, Wr)}} = \frac{ϵ_{r} W_{r}}{ϵ_{(c, Qr)} W_{r}} = \frac{ϵ_{r} T_{c}}{ϵ_{c} T_{(c, Qr)}} = \frac{ϵ_{r} T_{r} γ_{c}}{ϵ_{c} T_{r} γ_{r}} \sqrt{\frac{E_{c}}{E_{r}}}

(式16)

热弹性致动器

图10表示的是一个热臂/冷臂致动器，用来阐明表3中所示的计算结果。只对向加热器输入一定热量的稳态解决方案作了分析。设备是包括两个被空气隔离的相同材料层，并且通过一个绝热块将两层的末端连接起来。输出机械功的压力/偏差特性能够通过改变两层之间的间隔举例进行调节。较大的间隔使得横向力增加了，但是减少了偏差。

由钛和硅制成的两个致动器在图4中采用图表能量计算结果来做比较。对钛来说，五种对比设计是根据表3中的计算结果来划分。体积、机械功和热能之间的关系跟表3中的一样。钛的体积采用对比例2跟对比例4中的长度来分配。

讨论

5个各自独立的材料特性结合在一起，对于评估材料热弹性设计中所使用的材料的潜在的特性和不一定是最好的候选材料的一个突出特性来说是很重要的。在表3中的PTFE(高g)和钻石(高E)，两者都是明显的。金和铜都具有高g值，但是因为E值低和r值高而不能成为好的候选材料。硅相对其它某些其它材料来说效率非常低，然而，非晶二氧化硅有可能是所有材料中效率最低的。

输出机械功、热能输入以及致动器体积对于热弹性设计来说是三个基本的特征参数。上述的设计方法只有在采用材料特性的时候才能合并这些参数，并且才能提供选择材料的构成方法。这个方法是通用的，因为该方法在采用容易计算的比较比率的情况下来评定材料的潜能。值得注意的是，该方法是用来测量材料的潜能，并且用作连接其它适当的设计标准的工具。例如：像输出功、材料电阻系数、周围材料的强度、以及材料的实用性等压力/偏差特点的标准都是重要的。假设可操作的温度范围是从零度到熔化点的摄氏温度，这是因为它是指示材料热范围的。然而，可操作的最高温度因为材料的氧化或者其它的热设计限制而有所不同。当熔化点作为一个标准的时候，氮化钛接近于致动器效率的最高值。可是，当采用氧化温度的时候，作为更好的候选对象就是二硅化物。而实际上，氮化钛作为候选对象就是因为它恰恰是建立在CMOS绝缘材料的基础上。TiN通过与铝合成为合金，其氧化温度可以从500℃提高到900℃。合金材料的符号为(Ti，Al)N。

一个简易热弹性钛横梁的致动器相对其它致动器机械装置来说效率较低(少于1％)。理论上来说，对于一个简易氮化钛梁来说，达到4.5％的热弹性致动器效率是有可能的，可是，当材料因为相关的操作失败(例如：热传导到达了衬底上)而应用在MEMS设备中，数值将明显地下降。

在此，仅仅通过举例说明的方法描述了该项发明。对于那些本领域的技术人员来说，他们将会很容易地认可许多的变化和修改，都不偏离本发明精髓和保护范围。

Claims

1. 一种热弹性膨胀元件，其由从下列组中选出的材料制成：

钛、钽、钼、锯、铬、钨、钒和锆的硼化物、硅化物、碳化物以及氮化物，

其中，所述材料具有由下列公式限定的无量纲常量：

ϵ_{c} = \frac{E γ^{2} T}{ρC}

在此，E是所述材料的杨氏模量，γ是热膨胀系数，T是最高的工作温度值，ρ是密度，C是比热，并且ε_c/ε_r大于1.74，其中ε_r为硅的无量纲常量。

2. 根据权利要求1所述的热弹性膨胀元件，其特征在于，所述材料的电阻系数在0.1μΩm和10.0μΩm之间。

3. 根据权利要求1所述的热弹性膨胀元件，其特征在于，所述材料在空气中呈现惰性化学性质。

4. 根据权利要求1所述的热弹性膨胀元件，其特征在于，所述材料在墨水中呈现惰性化学性质。

5. 根据权利要求1所述的热弹性膨胀元件，其特征在于，所述材料可由CVD、阴极真空喷镀或者其它薄膜沉积技术来沉积。