CN102502475A

CN102502475A - 一种基于表面张力的微尺度驱动方法和装置

Info

Publication number: CN102502475A
Application number: CN2011103418275A
Authority: CN
Inventors: 王子千; 赵亚溥
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种基于表面张力的微尺度驱动方法，该方法是：在具有适当厚度的柔性悬臂梁的表面形成一层亲液层，然后在该亲液层上滴上预定量的液滴；所述液滴在表面张力的作用下将悬臂梁弯曲一定的角度，从而使所述悬臂梁的端部翘起预定的高度。本发明还公开了一种基于表面张力的微尺度驱动装置。本发明通过采用液滴与亲液层的表面之间的张力来驱动柔性悬臂梁弯曲，从而能够为微电子机械系统提供更大的微驱动力。

Description

一种基于表面张力的微尺度驱动方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于表面张力的微尺度驱动方法和装置。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)在近年来一直是国际学术界以及产业界最为热点的研究领域。MEMS器件功能强大，体积小、成本低，便携并且低能耗，具有常规传感器、执行器所不具备的优势。

近年来MEMS系统已经在生物医药、汽车、手机等众多直接关系人民生活的领域做出了骄人的成绩，在近年来热议的物联网体系中也是至关重要的一个关键环节。

为了实现MEMS器件的多种功能，需要各种驱动力让可动的微尺度器件运动起来。在常见的MEMS器件中，电场力是最重要最广泛使用的驱动力。除此之外，电热作用、电磁力、压电效应也是MEMS中常见的驱动作用。

但是，这些已有MEMS器件驱动作用存在一个共同的弱点，那就是驱动能力比较低。以最常见的平行板电容驱动器为例，驱动力由如下公式描述：

F_{E} = \frac{ϵ V^{2} S}{2 d^{2}}

其中，ε表示空气介电常数，V表示电压，S表示电极面积，d表示电极间距。如果取常见100μm边长正方形电极为例，电极间距去5μm，电压去10V，那么电场力计算得到FE＝0.177μN。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面张力的微尺度驱动方法和装置，能够提供更大的微驱动力。

本发明提供的一种基于表面张力的微尺度驱动方法是：在具有适当厚度的柔性悬臂梁的表面形成一层亲液层，然后在该亲液层上滴上预定量的液滴；所述液滴在表面张力的作用下将悬臂梁弯曲一定的角度，从而使所述悬臂梁的端部翘起预定的高度。

优选地，在所述悬臂梁的表面还形成有一层疏液层，该疏液层位于靠近所述悬臂梁的端部的位置。

优选地，所述悬臂梁为具有适当长宽高的SiN。

优选地，所述亲液层为亲水SiO₂、Al或Au材料其中的一种或一种以上，所述疏液层为疏水Parylene、Teflon、PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料其中的一种或一种以上，所述液滴为水、乙醇、硅油材料其中的一种或一种以上。

本发明提供的一种基于表面张力的微尺度驱动装置，该装置包括：形成在基底表面的柔性悬臂梁，该悬臂梁具有适当的长度、宽度和高度，在所述悬臂梁的表面形成有一层亲液层；通过在该亲液层上滴上预定量的液滴，所述液滴在表面张力的作用下将悬臂梁弯曲一定的角度，从而使所述悬臂梁的端部翘起预定的高度。

本发明通过采用液滴与亲液层的表面之间的张力来驱动柔性悬臂梁弯曲，从而能够为微电子机械系统提供更大的微驱动力。

附图说明

图1a～j为本发明悬臂梁表面张力驱动的形成过程示意图；

图2a、b为本发明悬臂梁在滴上液滴前、后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的表面驱动原理如下：

表面张力驱动下的驱动力计算公式为：

F_γ＝γ_lvlsinθ

其中，γ_lv表示液-气界面张力(液体表面张力)，l表示固液接触线长度，

θ表示接触角。以水滴为例，γ_lv＝72×10^-3N/m，l＝100μm，接触角取

。由此可以计算同样一条悬臂梁表面，固液界面张力所起到的驱动力F_γ＝7.2μN。这个驱动力是电场驱动力的40倍，而达到同样的驱动效果，需要电压达到63V。如果器件尺寸减小一个量级，即取l＝10μm，那么表面张力驱动力将会是电场力驱动力的400倍。

因此，在微小尺度下，表面张力将会为MEMS器件提供一种更加强大有效的驱动力，而且这个力不需要外界能源输入，只要液滴在悬臂梁表面就可以完成。

本发明应用于MEMS器件驱动的方式描述如下：

以微悬臂梁器件为例。首先通过常规MEMS表面牺牲层工艺加工制备微悬臂梁，如图1a～j所示，加工过程中，首先在基底Si1的表面CVD淀积牺牲层材料2(图1b)；之后，通过光刻和DRIE方法刻蚀定义锚点位置(图1c)，随之通过CVD淀积SiN材料作为悬臂梁3(图1d)，再溅射亲水Au层4(图1e)；随之通过光刻、腐蚀手段定义亲水区(图1f)；之后通过CVD手段淀积Teflon疏水层5(图1g)，并光刻、等离子体刻蚀形成疏水区(图1h)；继续通过DRIE手段刻蚀SiN悬臂梁3(图1i)，并释放悬臂梁3(图1j)。形成的悬臂梁3的长度、宽度和厚度为长500μm、宽100μm、厚在3～5μm。

形成的悬臂梁器件如图1j所示。悬臂梁3表面亲水区用固定水滴，而疏水区限制了水滴在悬臂梁3表面的铺展。亲水区金与水的接触角在

以下而疏水区Teflon材料的接触角在

左右，因此，当一滴水被滴在悬臂梁3表面处，如图2a所示，液滴将会自动运动至亲水表面上，并保证固液接触线会被限制在亲水区和疏水区的交替部分。由于液滴的表面张力会在固液接触线处集中，因此在张力的作用下，微悬臂梁3将会被向上弯曲，如图2b所示，从而达到驱动的目的。针对亲水层可以选取SiO₂，Al或者Cu等亲水材料；疏水层可以选取Parylene，PDMS(聚二甲基硅氧烷)等疏水材料。液体也可选取乙醇、硅油等。

综上所述，本发明通过采用液滴的表面张力来进行MEMS器件驱动，相比电场力驱动方式，表面张力驱动方式具有驱动力大，无需外界能量输入的特点。

Claims

1.一种基于表面张力的微尺度驱动方法，该方法是：在具有适当厚度的柔性悬臂梁的表面形成一层亲液层，然后在该亲液层上滴上预定量的液滴；所述液滴在表面张力的作用下将悬臂梁弯曲一定的角度，从而使所述悬臂梁的端部翘起预定的高度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述悬臂梁的表面还形成有一层疏液层，该疏液层位于靠近所述悬臂梁的端部的位置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述悬臂梁为具有适当长宽高的SiN。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述亲液层为亲水SiO₂、Al或Au材料其中的一种或一种以上，所述疏液层为疏水Parylene、Teflon、PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料其中的一种或一种以上，所述液滴为水、乙醇、硅油材料其中的一种或一种以上。

5.一种基于表面张力的微尺度驱动装置，其特征在于，该装置包括：形成在基底表面的柔性悬臂梁，该悬臂梁具有适当的长度、宽度和高度，在所述悬臂梁的表面形成有一层亲液层；通过在该亲液层上滴上预定量的液滴，所述液滴在表面张力的作用下将悬臂梁弯曲一定的角度，从而使所述悬臂梁的端部翘起预定的高度。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述悬臂梁的表面还形成有一层疏液层，该疏液层位于靠近所述悬臂梁的端部的位置。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述亲液层为亲水SiO₂、Al或Au材料其中的一种或一种以上，所述疏液层为疏水Parylene、Teflon、PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料其中的一种或一种以上，所述液滴为水、乙醇、硅油材料其中的一种或一种以上。