CN103552976A

CN103552976A - 一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件及其制备方法

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Publication number: CN103552976A
Application number: CN201310524559.XA
Authority: CN
Inventors: 赵乾; 马浚铭; 孟永钢
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103552976B

Abstract

一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件及其制备方法，属于微机电系统技术领域。该智能器件含有一对间距为微米量级的相互平行的第一平板及第二平板；第一平板为表面镀有金属膜的介质板，第二平板由基板和复合物小球构成。将该器件置于外加磁场中，利用第二平板的磁导率的磁场可调控原理实现两板间Casimir力在吸引-零-排斥之间的转换，从而为防止通常情况下由于Casimir引力造成的MEMS器件间的粘附失效提供了一种有效方法，同时实现了MEMS的磁场调控。本发明对于减小MEMS器件的摩擦磨损，延长MEMS的寿命，以及实现对MEMS的有效控制等具有重要意义，可在MEMS设计制造、智能控制、电磁领域得到广泛应用。

Description

一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于微机电系统（MEMS）的智能器件，特别涉及一种磁场可调的智能器件，属于微机电技术领域。

背景技术

近年来对于各种异常力的研究成为人们关注的热点，Casimir（克什米尔）力便是其中的一种。Casimir力是作用于两宏观物体间的自发形成的电磁力，当物体间距较小时，该力的作用凸显出来。通常两物体间的Casimir力表现为引力，在微机电系统中易引起器件间的粘附失效。为解决这一问题，人们希望能够将Casimir力由吸引转化为排斥以防止粘附失效，并有效调控该力的大小，从而进一步实现对MEMS的智能控制。

目前实现Casimir力排斥的方法主要停留在理论研究阶段，其中基于Boyer理论的方法，即令相互作用的两物体之一为满足ε₁(iξ)>μ₁(iξ)的电性板，之二为满足ε₂(iξ)<μ₂(iξ)的磁性板，受到了研究者的关注。ε(iξ)与μ(iξ)分别为物体在虚频域中的介电常数及磁导率常数。对于ε₁(iξ)>μ₁(iξ)的条件，很多金属及非金属材料均能满足。然而对于ε₂(iξ)<μ₂(iξ)的条件，利用自然磁性材料（如铁氧体等）及普通磁性电介质超材料均难以满足，因此如何构造符合条件的磁性材料便成了解决问题的关键。此外，在调控Casimir力的研究方面，目前尚未有任何实验研究成果，已有的理论方法如利用拓扑绝缘体或表面镀膜等方法均增加了系统的复杂度，阻碍了对MEMS的进一步控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件及其制备方法，能够将Casimir力吸引转化为排斥，从而减小粘附失效，同时实现对微机电系统的磁场调控。

本发明的技术方案如下：

一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：该智能器件含有间距为微米量级的两个相互平行的第一平板和第二平板；第一平板为表面镀有金属膜的介质板，第二平板由基板、复合物小球组成，基板上均匀分布有小孔，复合物小球置于基板的小孔中，复合物小球是由纳米磁性颗粒均匀分散至电介质媒质中形成。

本发明所述的小孔排成方形阵列或圆形阵列。所述纳米磁性颗粒在室温下为金属纳米超顺磁颗粒，金属纳米超顺磁颗粒熔点高于电介质媒质，金属纳米超顺磁颗粒在电介质媒质中的填充率f₁<0.5。所述复合物小球在基板上的填充率f₂<0.5。所述第一平板表面所镀金属膜厚度t在20μm～100μm。所述电介质媒质的介电常数在0到3之间。

本发明还提供了一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件及其制备方法，该方法包括如下步骤：

1）将介质板表面抛光；

2）采用磁控溅射方法在介质板表面镀金属膜形成第一平板；

3）利用化学还原反应制备纳米超顺磁颗粒，制备时需先判断纳米超顺磁颗粒的临界尺寸R₀=(6k_BT/K)^1/3，其中k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，K为各向异性常数，只有当纳米磁性颗粒半径R<R₀时才能表现为超顺磁性；

4）利用微流体法将纳米超顺磁颗粒均匀分散至电介质媒质中形成复合物小球；

5）利用聚焦离子束加工方法在基板上加工出方形或圆形阵列排布的小孔；

6）利用自组装技术在小孔中填充复合物小球形成阵列，即得第二平板；

7）将得到的第一平板和第二平板平行放置，得到用于微机电系统的磁场调控的智能器件。

本发明所述方法中，步骤4）中所述的微流体法的具体操作过程如下：首先将电介质媒质加热至熔融状态，将一部分熔融电介质媒质与纳米超顺磁颗粒混合均匀，输送至内导管中，将剩余部分的熔融电介质媒质输送至外导管中，外导管套在内导管之外；由于导管两端的压力差，熔融电介质媒质在管口处形成球体，球体内部包覆有纳米超顺磁颗粒与熔融电介质媒质的混合物；将熔融物固化后得到复合物小球。

本发明具有以下优点及突出性效果：该智能器件利用第一平板表面金属的强介电特性及构成第二平板的复合物小球的高频磁响应特性实现Casimir力排斥，有效减小了粘附失效；根据第二平板的磁导率随外加磁场变化的性质，通过改变外加磁场强度实现对Casimir力大小的调控，从而实现对MEMS的磁场控制。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件的结构示意图。

图2为第二平板的示意图。

图3为利用磁场实现可调Casimir力的示意图。

图4为无外加磁场时第一平板与第二平板相互作用的Casimir力曲线。

图5施加静磁场H₀，不同的磁场强度下分别对应的第二平板的磁导率的虚部μ_imag(ω)随频率ω的变化曲线。

图6施加静磁场H₀，不同的磁场强度下分别对应的第一平板与第二平板相互作用的Casimir力曲线。

（注：图4，5，6曲线均根据实施例所述情形绘出）

图7微流体法示意图。

图中：1-第一平板；2-第二平板；3-纳米磁性颗粒；4-电介质媒质；5-复合物小球；6-基板；7-小孔；8-外导管；9-内导管。

具体实施方式

图1为本发明提供的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件示意图，该器件含有第一平板1与第二平板2，其中第一平板为表面镀有金属膜（如金、银、铝膜等）的介质板，所镀金属膜厚度t在20μm～100μm。第二平板2由基板6及复合物小球5组成，基板上均匀分布有小孔，复合物小球5置于基板6上的小孔中，由纳米磁性颗粒均匀分散至电介质媒质4中形成；电介质媒质的介电常数在0到3之间，如聚乙烯颗粒、聚丙烯颗粒、聚苯乙烯材料等均满足要求；复合物小球5在基板上的填充率f₂<0.5；基板上的小孔排成方形阵列或圆形阵列；构成复合物小球的纳米磁性颗粒在室温下为金属纳米超顺磁颗粒，颗粒熔点高于电介质媒质，在电介质媒质中的填充率f₁<0.5，此处的金属纳米超顺磁颗粒可以选取为纳米超顺磁铁、钴、镍等颗粒。该器件利用第一平板获得较高的介电常数，满足ε₁(iξ)>μ₁(iξ)的条件；同时利用第二平板获得高频磁响应特性及较小的介电常数，满足ε₂(iξ)<μ₂(iξ)的条件，此时将两板平行放置，当两板间距大于某一数值时，两板间的相互作用力表现为Casimir斥力，该斥力能够防止两平板表面间的粘附失效。进一步利用第二平板的磁导率随外加磁场变化的特性，为该器件施加一静磁场，通过改变静磁场强度有效对作用于该器件的Casimir力进行调控。

第一平板1的构造过程为：首先准备一块足够大的介质板，将其表面抛光，然后利用磁控溅射方法在该介质板表面镀一层金属膜，形成第一平板。

第二平板2的构造过程为：首先利用化学还原反应制备单分散度较好的纳米超顺磁颗粒，制备时需先判断纳米超顺磁颗粒的临界尺寸R₀=(6k_BT/K)^1/3，其中k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，K为各向异性常数，之后通过还原反应得到R<R₀的纳米超顺磁颗粒。以纳米超顺磁镍颗粒为例，将镍的氯化物溶入乙二醇中，之后向其中加入一定量的肼和NaOH溶液，在60℃条件下搅拌1小时，发生反应2Ni²⁺+N₂H₄+4OH^-→2Ni+N₂+4H₂O，得到纳米超顺磁镍颗粒。之后采用微流体法将纳米超顺磁颗粒分散至电介质媒质中形成复合物小球，图7为微流体法生产复合物小球的示意图，具体过程为：首先将电介质媒质加热至熔融状态，将一部分熔融电介质媒质与纳米超顺磁颗粒混合均匀，输送至内导管中，将剩余部分熔融电介质媒质输送至外导管中，外导管套在内导管之外，由于导管两端的压力差，熔融电介质媒质在管口处形成球体，球体内部包覆有纳米超顺磁颗粒与熔融电介质媒质的混合物，通过紫外线照射等方法将熔融物固化后得到复合物小球。利用聚焦离子束方法在基板上加工出方形或圆形阵列的小孔，利用自组装技术在小孔中填充复合物小球，即得到第二平板，如图2所示。将所得两板平行放置，间距为微米量级，构造成用于微机电系统的磁场调控的智能器件。

本发明的工作机理如下：

根据Lifshitz理论，两无限大平行平板间相互作用的Casimir力可表示为

其中p为沿x方向的波数，

ε_i及μ_i分别为平板的介电常数及磁导率常数（i=1,2分别代表相互作用的第一平板、第二平板），ξ为虚频率，d为第一平板与第二平板间的间距，c为光速。当ε₁(iξ)>μ₁(iξ),ε₂(iξ)<μ₂(iξ)时，能使得F>0，从而令Casimir力表现为斥力。对于ε₁(iξ)>μ₁(iξ)，普通金属如金、银、铝等均可满足该条件，为此我们选取镀有金属膜的介质板作为第一平板（镀膜介质板与单纯的金属板相比降低了板的密度，且便于控制成本）。然而对于ε₂(iξ)<μ₂(iξ)，自然磁性材料及普通磁性电介质超材料均难以满足该条件，此时需要构造一种具有高频磁响应特性及低介电常数的磁性材料。图2为该磁性材料板（第二平板）的简图。已知磁性颗粒的弛豫时间τ越小意味着磁响应频率越高，

与颗粒的尺寸成正比，式中τ₀=1×10^-13s，V为纳米磁性颗粒的体积，K为各向异性能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度。为获得高频磁特性，选取尺寸较小的纳米超顺磁颗粒。电介质材料往往具有较低的介电常数，将纳米超顺磁颗粒分散至电介质媒质中从而获得同时具有高频磁响应特性及低介电常数的复合物小球，将复合物小球在基板上形成阵列，磁响应频率得到进一步提高，进而满足ε₂(iξ)<μ₂(iξ)的条件。之后将第一平板与第二平板按图1所示平行放置，当间距足够大时，根据Lifshitz理论可知板间相互作用力表现为Casimir力排斥，从而达到减小粘附失效的目的。

图3为磁场调控Casimir力的示意图，在器件两端施加一静磁场H₀，上端为N极，下端为S极。根据第二平板的磁导率随磁场变化的特点，Casimir力也随之改变，从而实现磁场可调性能。

图4、图5、图6曲线均根据实施例所述情形绘出，将在实施例中作进一步说明。其中图5表明第二平板磁导率的虚部能够随着外加磁场H₀强度的变化而改变，根据

可知μ(iξ)的值也会随着H₀变化，从而影响两平板间Casimir力的大小（结合Lifshitz的Casimir力计算公式），解释了磁场调控机理。

本发明的实现过程及效果由实施例和附图进一步说明：

实施例：

第一平板选取表面镀银的硅板，其制备过程为：选取一块足够大的较为平整的硅片，将其表面抛光；利用磁控溅射法在该硅片表面镀一层30μm厚的银膜，得到第一平板。然后制备第二平板，在本实施例中纳米磁性颗粒选取为纳米超顺磁镍颗粒，电介质媒质选取多孔聚苯乙烯，其介电常数约为1.3，熔融温度为240℃。具体制备过程为：首先利用化学还原反应制备纳米超顺磁镍颗粒，反应式为2Ni²⁺+N₂H₄+4OH^-→2Ni+N₂+4H₂O，该颗粒具有较好的分散度，平均半径为5nm（T=300K时纳米超顺磁镍颗粒的临界尺寸R₀=17nm），H₀>2.8kOe时达到其饱和磁化强度M_S=480G。随后通过微流体法将纳米超顺磁镍颗粒均匀分散至多孔聚苯乙烯介质中形成复合物小球，小球的半径R=75nm，小球中镍的填充率为0.2，具体过程为：首先将多孔聚苯乙烯加热至240℃得到其熔融物，将一部分熔融物与纳米超顺磁镍颗粒混合均匀后输送至内导管中，将剩余熔融物输送至外导管中，管口处得到包含纳米超顺磁镍颗粒的熔融物小球，通过紫外线照射将其迅速固化后得到所需的复合物小球。随后利用聚焦离子束技术在基板上加工出方形小孔，方形小孔的尺寸为100nm×100nm,深度为25nm，且排成方形阵列。将复合物小球通过自组装分散至小孔中，小球在基板上的填充率为0.1，由此形成第二平板。将第一平板与第二平板平行放置如图1所示，两板间距d在0.5μm～5.0μm。两板间的Casimir力随距离的变化曲线如图4所示，其中F为该实施例所述两平板间相互作用的Casimir力，

为两理想导体板间的Casimir力，表现为引力。F/F_C<0意味着两平板间相互作用的Casimir力为斥力；F/F_C=0表示Casimir力为0；F/F_C>0表示Casimir力为引力，比值越大意味着引力越大。从图中可知当0.5μm<d<3.6μm时Casimir力为引力，有0<F/F_C<<1；当3.6μm<d<5.0μm时Casimir力由引力转变为斥力，有效减小了由Casimir力吸引造成的粘附失效。

之后在器件两端施加静磁场H₀，第二平板磁导率的虚部μ_imag(ω)在不同磁场强度下随频率的变化曲线如图5所示，随着磁场强度的增加μ_imag(ω)也相应增大。图6所示为改变磁场强度对Casimir力的调控效果，可以看出当板间距d一定时，随着磁场强度的改变Casimir力的大小连续可调。图6中四条曲线分别对应H₀等于0、0.6、1.2、3.0kOe时Casimir力随距离d的变化曲线，d在0.2μm～1.5μm。当H₀=0时，Casimir力在(0.2μm,1.5μm)区间上的变化范围为（-1.66mN/m²，-0.235μN/m²），均表现为引力；当H₀=3.0kOe时，Casimir力在(0.2μm,1.5μm)区间上的变化范围为（-1.34mN/m²，0.573μN/m²），在d=0.7μm处为吸引-排斥间的转化点。即当0.7μm<d<1.5μm时，在板间距不变的情况下，通过调节H₀的大小，不仅能够对作用于该器件上的Casimir力大小进行调控，还能够利用该磁场实现Casimir力在吸引-零-排斥间的转换。

Claims

1.一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：该智能器件含有间距为微米量级的两个相互平行的第一平板（1）和第二平板（2）；所述的第一平板（1）为表面镀有金属膜的介质板，所述的第二平板（2）由基板（6）和复合物小球（5）组成，基板（6）上均匀分布有小孔（7），复合物小球（5）置于基板（6）的小孔（7）中，复合物小球（5）是由纳米磁性颗粒（3）均匀分散至电介质媒质（4）中形成的。

2.按照权利要求1所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：所述的小孔（7）在所述的基板（6）上排列成方形阵列或圆形阵列。

3.按照权利要求1或2所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：所述的纳米磁性颗粒（3）在室温下为金属纳米超顺磁颗粒，该金属纳米超顺磁颗粒的熔点高于电介质媒质（4）的熔点，金属纳米超顺磁颗粒在电介质媒质（4）中的填充率f₁<0.5；复合物小球（5）在基板上的填充率f₂<0.5。

4.按照权利要求1所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：第一平板表面所镀金属膜厚度t在20μm～100μm。

5.按照权利要求1所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器件，其特征在于：电介质媒质（4）的介电常数在0到3之间。

6.如权利要求1所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）将介质板表面抛光；

2）采用磁控溅射方法在介质板表面镀金属膜形成第一平板（1）；

4）利用微流体法将纳米超顺磁颗粒均匀分散至电介质媒质中形成复合物小球（5）；

5）利用聚焦离子束加工方法在基板（4）上加工出方形或圆形阵列排布的小孔（5）；

6）利用自组装技术在小孔（5）中填充复合物小球（3）形成阵列，即得第二平板（2）；

7）将得到的第一平板（1）和第二平板（2）平行放置，得到用于微机电系统的磁场调控的智能器件。

7.如权利要求6所述的一种用于微机电系统的磁场调控的智能器的制备方法，其特征在于：步骤4）中所述的微流体法的具体操作过程如下：首先将电介质媒质（4）加热至熔融状态，将一部分熔融电介质媒质与纳米超顺磁颗粒混合均匀，输送至内导管（9）中，将剩余部分的熔融电介质媒质输送至外导管（8）中，外导管（8）套在内导管（9）之外；由于导管两端的压力差，熔融电介质媒质在管口处形成球体，球体内部包覆有纳米超顺磁颗粒与熔融电介质媒质的混合物；将熔融物固化后得到复合物小球（5）。