CN101759137A - 一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法属于微制造技术领域，特别涉及电热驱动微夹钳的制作方法。本发明采用的光刻胶为SU-8胶，制作方法的步骤包括：氧化，涂胶I，曝光I，显影I，溅射金属，涂胶II，曝光II，显影II，腐蚀。微夹钳电极内嵌在SU-8胶中，通过一侧暴露的部分向外引线连接电源。采用的硅片为单晶硅片或多晶硅片；硅片氧化厚度、硅片尺寸和参杂浓度可任意改变。制作工艺步骤简单，加工成本较低，加工周期短，可批量生产。制作的电热驱动微夹钳，钳口位移量大，钳体温度低。适用于对微小零件进行微操作或微装配，而且可以直接对细胞操作，在微操作手术中具有广泛的应用价值。

Description

一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法
技术领域
本发明属于微制造技术领域，特别涉及电热驱动微夹钳的制作方法。
背景技术
微夹钳属于微执行器，在微机电系统(MEMS，Micro Electro MechanicalSystem)扮演着重要角色，其主要功能是完成微小目标的夹持、微操作和微装配等。目前微夹钳的驱动方式主要有静电式、压电式、电热式和电磁式等。电热驱动方式具有控制简单、操作方便、驱动电压低和输出力大等优点，所以本发明所述的加工技术是针对电热驱动式微夹钳。
目前，制作电热驱动微夹钳的材料主要有硅、金属和聚合物等。美国明尼苏达大学的Michael A.Greminger等人采用半导体加工技术以硅作为材料制作了电热驱动微夹钳(IEEE IROS，2005 pp.2814-2819)，但是硅的物理性质决定了硅材料的强度和韧性等方面都不如金属，并不太适合作为执行器。LIGA技术是80年代初由德国Karlsruhe原子核研究中心首先提出并发展起来的，包括光刻、电铸、微塑铸三个过程。法国UFC大学的J.Agnus等人采用LIGA技术以镍为材料制作了微夹钳(Proc.IEEE Int.Symp.Computational Intelligence Robotics Automation，2005，pp.117-123)。其缺点是需要昂贵的同步辐射X光源，掩模板制作困难，工艺周期长，同时由于金属高的热传导率，使得金属材料的电热驱动微夹钳钳体温度必然较高，与物体直接接触的微夹钳钳口有过高的温度必然对微操作和微装配不利。
SU-8胶是一种近紫外负性光刻胶，首先由IBM公司在上世纪80年代末发明，其主要作用是可以在厚光敏聚合物上制造高深宽比的结构。光刻胶中的主要成分是SU-8环氧树脂(由Shell Chemical公司出品)。低的热传导率和高的热膨胀系数使得SU-8胶宜于作为电热驱动微夹钳的材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述方法所制作硅、镍等材料微夹钳的缺点，提供一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法，本发明选择的光刻胶为SU-8胶，依靠材料本身低的热传导率和高的热膨胀系数这些优良的性能来制作电热驱动微夹钳，钳口位移量大，钳体温度低。其工艺步骤简单，加工成本较低，加工周期短，可批量生产。
本发明的技术方案是一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法，其特征是，制作方法包括以下步骤：
(1)氧化：用硅片1作为基底，对其进行清洗、单面氧化，在其表面生成一层氧化层2；
(2)涂胶I：在氧化层2上旋涂一层SU-8胶3，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；
(3)曝光I：将掩模板A4放置在SU-8胶3上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板A4上电极图形向SU-8胶3的转移；
(4)显影I：使用SU-8胶显影液对SU-8胶3进行显影，得到电极图形的SU-8胶膜；
(5)溅射金属：在SU-8胶膜上先溅射一定厚度的金属电极6，再溅射一定厚度的金属钛5；
(6)涂胶II：在溅射的金属上旋涂一层SU-8胶3，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；
(7)曝光II：将掩模板B7放置在SU-8胶3上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板B7上微夹钳钳体图形向SU-8胶3的转移；
(8)显影II：使用SU-8胶显影液对SU-8胶3进行显影，得到微夹钳钳体图形的SU-8胶膜；
(9)腐蚀：使用HF酸缓冲液来腐蚀金属钛5和氧化层2，得到SU-8胶的微夹钳。
微夹钳电极内嵌在SU-8胶中，通过一侧暴露的部分向外引线连接电源，这样的微夹钳结构在通电之后钳体几乎没有法向弯曲。同时微夹钳钳体上制作出的散热孔11用于散热。
采用的硅片为单晶硅片或多晶硅片，硅片氧化厚度、硅片尺寸和参杂浓度任意改变。
本发明的效果和益处是该方法克服了现有方法制作硅、镍等材料微夹钳的缺点，采用SU-8胶作为微夹钳材料，材料本身具有低的热传导率和高的热膨胀系数，极易适合制作电热驱动微夹钳，钳口位移量大，钳体温度低。其工艺步骤简单，加工成本较低，加工周期短，可批量生产。适用于对微小零件进行微操作或微装配，而且可以直接对细胞操作，在微操作手术中具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为氧化工艺示意图，图2为涂胶I工艺示意图，图3为曝光I工艺示意图，图4为显影I工艺示意图，图5为溅射金属工艺示意图，图6为涂胶II工艺示意图，图7为曝光II工艺示意图，图8为显影II工艺示意图，图9为腐蚀工艺示意图，图10为将微夹钳与硅片分离的工艺示意图。图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10是采用SU-8胶材料制作的电热驱动微夹钳工艺示意图。上述图中：1-硅片，2-氧化层，3-SU-8胶，4-掩膜板A，5-金属钛，6-金属电极，7-掩膜板B。
图11为采用本发明制作的电热驱动微夹钳三维结构图，图12为采用本发明制作的电热驱动微夹钳结构正视示意图，图13为采用本发明制作的电热驱动微夹钳结构左视示意图。图中：8-电极，9-微夹钳钳体，10-V型梁，11-散热孔，12-位移驱动杆，13-钳口，M-位移放大部分。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1所示，首先取硅片1作为基底，对其进行清洗，在氧化剂及逐步升温的条件下，使光洁的硅表面生成一层致密的氧化层2。如附图2所示，将氧化后的硅片放在85℃预热板上预热30分钟后，涂覆适量SU-8胶3，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到25微米左右。控制前烘温度和时间，使光刻胶在一定程度上固化，然后静置。如附图3所示，将掩膜板A4放置在SU-8胶3上并对准，作为掩膜采用紫外线曝光工艺，实现掩膜板A4上的电极图形向SU-8胶3的转移。如附图4所示，对曝光后的硅片进行后烘，然后使用SU-8胶显影液显影，得到电极图形的SU-8胶膜。如附图5所示，在SU-8胶膜上溅射金属，先溅射800纳米的金属电极6，比如金属铜，再溅射200纳米的金属钛5。如附图6所示，将溅射后的硅片放在85℃预热板上预热30分钟后，涂覆适量SU-8胶3，控制甩胶机的转速和时间，使最大胶厚达到50微米左右。控制前烘温度和时间，使光刻胶在一定程度上固化，然后静置。如附图7所示，将掩膜板B7放置在SU-8胶3上并对准，采用紫外线曝光工艺，以掩膜板B7作为掩膜，实现掩膜板B7上的微夹钳图形的转移。如附图8所示，对硅片进行后烘，然后使用SU-8胶显影液对SU-8胶3进行显影，得到微夹钳图形的SU-8胶膜。如附图9所示，将硅片放入氢氟酸缓冲液中，利用氢氟酸腐蚀氧化层2和金属钛5。如附图10所示，腐蚀之后再拿掉硅片1，只剩下SU-8胶3的微夹钳和金属电极6。
通过上述工艺制作的微夹钳图形见附图11所示。电极8左侧有一部分暴露在外面，用于向外引线与电源相连。如附图12所示为微夹钳的结构示意图。接通电源后，电极8中的V型梁部分有电流通过，因高阻产生热，同时将热量传递给SU-8胶微夹钳钳体9。V型梁10受热膨胀伸长，推动位移驱动杆12向右移动。位移驱动杆12推动位移放大部分M完成钳口13的闭合动作，夹持物体。当关闭电源时，由于冷却收缩，使位移驱动杆12向左移动，使微夹钳钳口13张开，放开物体，完成操作。
此发明制作的SU-8胶微夹钳，利用了SU-8胶具有低的电导率和高的热膨胀系数这些性能，使得所制作的电热驱动微夹钳钳口位移量大，同时微夹钳钳体温度低。而且此工艺制作的微夹钳电极内嵌在SU-8胶中，通过一侧暴露的部分向外引线连接电源，这样的微夹钳结构在通电之后钳体几乎没有法向弯曲。在微夹钳钳体上制作了散热孔来散去电极上的温度，可以地有效保护微夹钳。

Claims (2)

1.一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法，其特征是，本发明采用的光刻胶为SU-8胶，制作方法包括以下步骤：
(1)氧化：用硅片(1)作为基底，对其进行清洗、单面氧化，在其表面生成一层氧化层(2)；
(2)涂胶I：在氧化层(2)上旋涂一层SU-8胶(3)，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；
(3)曝光I：将掩模板A(4)放置在SU-8胶(3)上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板A(4)上电极图形向SU-8胶(3)的转移；
(4)显影I：使用SU-8胶显影液对SU-8胶(3)进行显影，得到电极图形的SU-8胶膜；
(5)溅射金属：在SU-8胶膜上先溅射一定厚度的金属电极(6)，再溅射一定厚度的金属钛(5)；
(6)涂胶II：在溅射的金属上旋涂一层SU-8胶(3)，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；
(7)曝光II：将掩模板B(7)放置在SU-8胶(3)上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板B(7)上微夹钳钳体图形向SU-8胶(3)的转移；
(8)显影II：使用SU-8胶显影液对SU-8胶(3)进行显影，得到微夹钳钳体图形的SU-8胶膜；
(9)腐蚀：使用HF酸缓冲液来腐蚀金属钛(5)和氧化层(2)，得到SU-8胶的微夹钳，微夹钳电极内嵌在SU-8胶中，通过一侧暴露的部分向外引线连接电源，这样的微夹钳结构在通电之后钳体几乎没有法向弯曲，同时微夹钳钳体上制作出的散热孔(11)用于散热。
2.根据权利要求1中所述的一种电热驱动光刻胶微夹钳的制作方法，其特征在于，采用的硅片为单晶硅片或多晶硅片；硅片氧化厚度、硅片尺寸和参杂浓度任意改变。
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