CN102295267B - 柔性mems减阻蒙皮的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，属于微加工领域，主要是为了提供一种改进的制造工艺而设计。本发明所述的制造方法，包括如下步骤：制备含有与蒙皮表层微凹坑形状相反的微凸柱阵列的模具；以聚合物的预聚物填充模具并固化，形成减阻蒙皮的表层；在所述表层上制备一层粘附层；在所述粘附层上制备金属层并采用MEMS平面微细工艺形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；在所述粘附层和金属层上面制备柔性绝缘衬底；在对应引线端子的位置上将柔性绝缘衬底去除；脱模；以及，在对应的表层凹坑位置处去除粘附层，使金属电极暴露出来。本发明适用于制造以难刻蚀聚合物作为表层材料的柔性MEMS减阻蒙皮。
Description
技术领域
本发明涉及微制造和柔性MEMS技术领域，尤其涉及一种柔性MEMS(Micro Electro-Mechanical System)减阻蒙皮的制造方法。
背景技术
水面及水下航行体行驶时所受到的行进阻力包括压差阻力、兴波阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常占据最大比重，对于长度和长宽比/长径比较大的航行体尤其如此。因此，降低航行体表面摩擦阻力能够有效地提高航速、增加航程、降低能耗，具有巨大的经济价值。
目前摩阻减阻技术的理论和应用研究主要集中在湍流边界层，涉及多种技术方案，例如表面形貌减阻(如肋条减阻)、仿生减阻(如柔顺壁减阻)等无源减阻方式，以及聚合物添加剂减阻、注入气泡减阻等需要注入物质或消耗能量的减阻方式。在航行体表面形成一层气膜是现今理论减阻率最高的减阻方式之一，近年来受到了广泛的关注。主要思想为：以气膜将航行体大部分外表面包裹，从而变液-固界面为液-气-固界面，大大减小摩擦阻力。目前主要以超空化和喷入气体两种方式形成气膜。对于喷气方式，需要额外的气体喷射系统，并且该系统必需持续工作，这对航行体的动力系统是较大负担。对于超空化方式，存在空化噪声，而且需要采用特殊的发动机，且功耗极大。
中国发明专利“柔性MEMS减阻蒙皮及其制造方法”(专利号ZL200910079713.0，授权公告日2011年1月26日)公开了一种利用驻留微气泡实现减阻的减阻蒙皮及其制造方法。通过电解水反应形成稳定驻留于微凹坑内的微气泡，覆盖载体的绝大部分表面积，实现减小表面摩擦阻力的作用。这种方法：气体产生过程安静平稳，不会产生干扰和噪声；微小的气泡较之完整气膜易于实现稳定的保持；驻留气泡已经形成后，绝大多数凹坑内的电解反应会自动中止，利于降低功耗；最终得到的减阻蒙皮具有高柔性，总厚度很小，能够贴覆于任意复杂的航行体表面而又不影响外形和尺寸，并且直接利用外界水环境而无需额外的复杂系统，因而易于对现有航行体的改造。
中国专利ZL200910079713.0所公开的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法不足之处是：其制备聚合物表层的微凹坑结构的工艺方法为光刻和刻蚀，这要求所选的材料需要能够有合适的刻蚀方法，而对于聚合物材料的高深宽比刻蚀一直是MEMS工艺中的难点，目前可选的材料和刻蚀方法很有限。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提供一种改进的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，本发明所述的制造方法可避免对蒙皮表层材料的高深宽比刻蚀，从而为表层材料提供更多的选择。
为达到上述目的，本发明所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，包括如下步骤：
制备含有与减阻蒙皮表层微凹坑形状相反的微凸柱阵列的模具；
在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层；
依次在所述表层上制备一层粘附层和金属层，并在所述金属层上采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；
在所述粘附层和金属层上制备一层柔性绝缘衬底；
去除掉阳极引线端子和阴极引线端子位置处的柔性绝缘衬底；
脱模；以及，
将减阻蒙皮表层凹坑位置处的粘附层去除掉，使电解阳极和电解阴极暴露出来。
进一步地，所述模具材料为硅，采用ICP干法刻蚀工艺制备。
进一步地，所述模具材料为金属，采用微细电火花加工工艺、微细电解加工工艺或微电铸工艺制备。
进一步地，所述的在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层，其具体实现步骤如下：
首先，向模具中填充聚合物的预聚物；
然后，用上盖膜盖压在填充有预聚物的模具之上，并在上盖膜上施加均匀载荷，同时加温使模具内的预聚物固化成型；
随后，去除上盖膜；
最后，对固化后形成的减阻蒙皮表层进行减薄工艺，使其表面齐平或略低于模具的上表面。
进一步地，所述的在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层，其具体实现步骤如下：
首先，用上盖膜盖压在模具的上表面，并在上盖膜上施加均匀载荷；
然后，向模具中注入预聚物，并加温固化成型；
最后，去除上盖膜。
进一步地，上述步骤中，用于制备表层的聚合物为PDMS，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1；盖在所述模具之上的上盖膜为PMMA膜。
进一步地，所述粘附层的材料为聚酰亚胺，厚度为1～4μm，该粘附层的制备工艺为甩胶旋涂。
进一步地，所述金属层材料为铂，所述的MEMS平面微细工艺包括：光刻、溅射和超声剥离。
进一步地，所述柔性绝缘衬底的材料为PDMS，所述柔性绝缘衬底的制备工艺具体为：
将PDMS刷涂在粘附层和金属层之上；
加温固化形成柔性绝缘衬底。
进一步地，所述的将减阻蒙皮表层凹坑位置处的粘附层去除掉，该去除方式为干法或湿法刻蚀。
本发明的有益效果是：
1.所述的柔性MEMS减阻蒙皮的表层，借助模具，用微复制工艺制备其微凹坑的结构，使表层材料的选择范围拓宽，不再受限于只能高深宽比刻蚀加工的材料。
2.所述模具可重复使用。只要制备一份高精度的模具，即可在后续工序中保证所有经该模具制备出的柔性MEMS减阻蒙皮表层的结构精度。因此，本发明所述的制造方法能有效柔性MEMS减阻蒙皮的制造成本，同时易于保证表层的结构精度。
3.所述表层材料选择PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。PDMS固化前流动性好，对模具填充效果佳，固化后与模具粘附性弱，易于脱模；PDMS具有本征的疏水性，利于微气泡的稳定驻留；PDMS柔性大，利于实现减阻蒙皮整体上的高柔性。
附图说明
图1是本发明所述柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法；
图2是本发明所述模具的一具体实施例的轴测示意图；
图3是图2所示模具的剖视图；
图4是本发明在模具中填充聚合物的预聚物以制备减阻蒙皮表层的结构示意图；
图5是本发明在所述表层上制备一层粘附层的结构示意图；
图6是本发明在粘附层上表面形成有电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线的结构示意图；
图7是本发明在粘附层和各电极及内部连线上制备柔性绝缘衬底的结构示意图；
图8是本发明所述减阻蒙皮脱模后的结构示意图；
图9是本发明去除减阻蒙皮表层凹坑位置处粘附层后的结构示意图；
图10是实施例1中步骤2的示意图；
图11是实施例2中步骤2的示意图。
附图标记：1-模具；2-表层；3-粘附层；4-电解阳极；5-电解阴极；6-阳极引线端子；7-阴极引线端子；8-柔性绝缘衬底；9-PDMS预聚物；10-上盖膜。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、制备含有与减阻蒙皮表层微凹坑形状相反的微凸柱阵列的模具；例如图2和图3所示的用于制备一种含有矩形凹坑的蒙皮的模具1。所述模具1可以选择采用ICP干法刻蚀工艺来制备硅模具，也可以选择采用激光、电火花、电解或电铸等特种微细加工工艺来制备金属模具。
步骤2、在制备好的模具1中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层2，如图4所示。所述聚合物的预聚物可根据最终蒙皮的性能要求灵活选择，而本发明聚合物推荐采用PDMS，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1。其中，该步骤可具体通过两种方式实现，方式一，首先，向模具1中填充聚合物的预聚物；然后，用上盖膜盖压在填充有预聚物的模具之上，并在薄膜上施加均匀载荷，同时加温使模具内的预聚物固化成型；然后，去除上盖膜；最后，对固化后形成的减阻蒙皮表层进行减薄工艺，使其表面齐平或略低于模具的上表面。方式二，首先，用上盖膜盖在模具的上表面，并在上盖膜上施加均匀载荷；然后，向模具中注入预聚物，并加温固化成型；最后，去除上盖膜。方式一是先过量填充固化后，再切削或刻蚀(即减薄工艺)去除多余聚合物来达到处于模具内的已固化的表层的上表面齐平或略低于模具的上表面；而方式二是先盖压一层上盖膜再注入聚合物的预聚物固化最后溶解去除上盖膜来完成减阻蒙皮的制备，并保证处于模具内的已固化的表层的上表面齐平或略低于模具的上表面。这里所述的上盖膜可选用PMMA膜。
步骤3、在所述表层上制备一层粘附层3，如图5所示，该粘附层3所选择的材料易于在其上制备金属图形且易于去除。然后再在该粘附层3上制备一层金属层，并在所述金属层上采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极4、电解阴极5、阳极引线端子6、阴极引线端子7和内部连线，如图6所示。所述的阳极引线端子6和阴极引线端子7通过内部连接分别与每个微凹坑内的电解阳极4和电极阴极5导通。其中，所述的金属层优选材料为铂，以便电解电极在电解水反应中稳定不损耗。所述的MEMS平面微细工艺具体包括：光刻、溅射和超声剥离。
步骤4、在所述粘附层3和金属层上制备一层柔性绝缘衬底8；该柔性绝缘衬底8的材料可选为PDMS，其具体的制备工艺为：首先将PDMS刷涂在粘附层和金属层之上；然后加温固化即形成柔性绝缘衬底。
步骤5、去除掉阳极引线端子和阴极引线端子位置处的柔性绝缘衬底，如图7所示。该去除工艺可选择机械去除的方法；去除后露出阳极引线端子和阴极引线端子，以形成连接外部供电导线的焊接部位。
步骤6、脱模；即步骤2至步骤5所制备的表层、粘附层、形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线的金属层以及柔性绝缘衬底从模具中整体剥离出来，脱离后如图8所示。
步骤7、将减阻蒙皮表层2凹坑21位置处的粘附层3去除掉，使电解阳极4和电解阴极5暴露出来，如图9所示。
下面结合具体的实施例对本发明所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法作进一步的说明。
实施例1：
制造方法包括如下步骤：
1.1、模具的制备：利用ICP刻蚀工艺在硅片上加工出微凸柱阵列，形成硅模具，凸柱结构高度为10～100μm。
1.2、微凹坑表层的制备：将PDMS的预聚物(PDMS单体与固化剂的质量比为10∶1)涂覆在硅模具表面，然后抽真空处理10min以去除气泡，让混合溶液充分填充硅模具。紧接着将一张PMMA膜10(即上盖膜)紧压在PDMS预聚物9上，如图10所示。在PMMA膜上施加并保持均匀载荷，置于烘箱中，在90℃下加热60min使PDMS固化。固化完成后，使用丙酮溶解掉PMMA膜。此时，所形成的表层略高于模具1的上表面。利用等离子干法刻蚀，对微凹坑表层进行减薄，使之齐平或略低于模具1上表面。
1.3、制备粘附层：旋涂聚酰亚胺预聚体涂层以获得厚度为4μm的聚酰亚胺层。
1.4.制备金属层并采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线。即采用光刻-溅射-超声剥离的工艺在聚酰亚胺层(即粘附层)上制备铂图形，铂层厚度为
1.5.制备柔性绝缘衬底：将PDMS的预聚物(PDMS单体与固化剂的质量比为10∶1)涂覆在粘附层与金属层之上，于120℃下加热30min固化，然后在对应于阳极引线端子和阴极引线端子的位置通过机械切除方法将衬底去除，形成连接外部供电导线的焊接部位。
1.6.脱模，即将步骤2至步骤5所制备的表层、粘附层、形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线的金属层以及柔性绝缘衬底从模具中整体剥离出来。
1.7.在对应的表层的凹坑位置处通过等离子干法刻蚀去除粘附层，使电解阳极和电解阴极暴露出来。
通过上述步骤可制得表层和衬底均为PDMS材质的柔性MEMS减阻蒙皮，表层厚度为10～100μm。
实施例2：
制造方法包括如下步骤：
2.1、模具1的制备：采用微电铸工艺加工出含微凸柱阵列的镍模具，凸柱结构高度为10～200μm。
2.2.微凹坑表层2的制备：将一PMMA膜10(即上盖膜)盖压模具1上表面，同模具1一起构成纵横交错的微管道，再将PDMS的预聚物9(PDMS单体与固化剂的质量比为10∶1)从模具1一端注入，借助毛细力使PDMS填充满模具1，如图4所示，然后将模具1、PDMS9、PMMA膜10整体加热，在90℃下加热60min使PDMS固化，最后使用丙酮溶解去除PMMA膜10。
2.3.制备粘附层：旋涂聚酰亚胺预聚体涂层以获得厚度为2μm的聚酰亚胺层。
2.4.制备金属层并采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线。即采用光刻-溅射一超声剥离的工艺在聚酰亚胺层(即粘附层)上制备铂图形，铂层厚度为
2.5.制备柔性绝缘衬底：将PDMS的预聚物(PDMS单体与固化剂的质量比为10∶1)涂覆在粘附层与金属层之上，于120℃下加热30min固化，然后在对应于阳极引线端子和阴极引线端子的位置通过机械切除方法将衬底去除，形成连接外部供电导线的焊接部位。
2.6.脱模，即将步骤2至步骤5所制备的表层、粘附层、形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线的金属层以及柔性绝缘衬底从模具中整体剥离出来。
2.7.在对应的表层的凹坑位置处通过等离子干法刻蚀去除粘附层，使电解阴极和电极阳极暴露出来。
通过上述步骤可制得表层和衬底均为PDMS材质且的柔性MEMS减阻蒙皮，表层厚度为10～200μm。
以上实施例均采用本发明的方法，其中所列的具体工艺方法、参数以及尺寸仅是举例，而非对本发明方法适用范围的限制。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备含有与减阻蒙皮表层微凹坑形状相反的微凸柱阵列的模具；
在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层；
依次在所述表层上制备一层粘附层和金属层，并在所述金属层上采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；
在所述粘附层和金属层上制备一层柔性绝缘衬底；
去除掉阳极引线端子和阴极引线端子位置处的柔性绝缘衬底；
脱模；以及，
将减阻蒙皮表层凹坑位置处的粘附层去除掉，使电解阳极和电解阴极暴露出来。
2.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述模具材料为硅，采用ICP干法刻蚀工艺制备。
3.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述模具材料为金属，采用微细电火花加工工艺、微细电解加工工艺或微电铸工艺制备。
4.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层，其具体实现步骤如下：
首先，向模具中填充聚合物的预聚物；
然后，用上盖膜盖压在填充有预聚物的模具之上，并在上盖膜上施加均匀载荷，同时加温使模具内的预聚物固化成型；
随后，去除上盖膜；
最后，对固化后形成的减阻蒙皮表层进行减薄工艺，使其表面齐平或略低于模具的上表面。
5.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的在制备好的模具中填充聚合物的预聚物，固化后形成减阻蒙皮的表层，其具体实现步骤如下：
首先，用上盖膜盖压在模具的上表面，并在上盖膜上施加均匀载荷；
然后，向模具中注入预聚物，并加温固化成型；
最后，去除上盖膜。
6.根据权利要求1或5所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，上述步骤中，用于制备表层的聚合物为PDMS，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1；盖在所述模具之上的上盖膜为PMMA膜。
7.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述粘附层的材料为聚酰亚胺，厚度为1～4μm，该粘附层的制备工艺为甩胶旋涂。
8.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述金属层材料为铂，所述的MEMS平面微细工艺包括：光刻、溅射和超声剥离。
9.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述柔性绝缘衬底的材料为PDMS，所述柔性绝缘衬底的制备工艺具体为：
将PDMS刷涂在粘附层和金属层之上；
加温固化形成柔性绝缘衬底。
10.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的将减阻蒙皮表层凹坑位置处的粘附层去除掉，该去除方式为干法或湿法刻蚀。
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