CN104370273A - 一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，选用高分子材料作为材料板，采用纳米压印法或者光刻和腐蚀法分别制作底座高分子材料板及悬空结构层高分子材料板，经紫外光处理后，再通过热压键合方法结合得到结合后的材料板；底座高分子材料板底板层上层两端设有的预留结合点和悬空结构层两端设有的预留结合点互相结合成预留的入口；往预留的入口注入作为支撑层的补强剂，干燥后，对结合后的材料板的结构层进行精密研磨直至悬空结构层可见；进行清洗后再分解补强剂，得到目标悬空结构。本发明采用高分子材料，成本更低廉，且流程更简便，精度高。此外由于材料本身的特性带来弹性、透明特性、生物相容性、环境友好型等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及微机电机械加工领域，具体涉及一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。它采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，但更侧重于超精密机械加工。MEMS器件拥有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短、高集成度的特点，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。悬臂梁式结构和微桥结构是MEMS中的基本结构，常见于各种传感器的设计中。基于悬臂梁式这样的可动悬空结构的传感技术，具有高分辨率，低成本，易阵列化、以及便于与其他电路模块高度集成为一体的特点，应用非常广泛。
硅材料是一种半导体材料，容易加工成各种形状，如可以使用干法刻蚀及湿法刻蚀成深宽比很高的立体结构。一般制作可动悬空结构以硅材料作为基底，采用主流的硅微加工技术，包括体加工和表面加工技术。体微加工工艺的基本流程是在基底(硅材料)上沉积结构层，在衬底的背面淀积氧化物掩膜，然后在掩膜上光刻出刻蚀窗口，并进一步刻蚀硅片，形成悬空结构；表面加工技术则是以牺牲层工艺为基础。这种传统制作工艺现已非常成熟，应用也广泛，但由于硅材料不具有生物相容性，使得在生物医药领域，该技术非常受限制。高分子材料具有生物相容性，但MEMS领域目前并没有成熟的技术可以实现基于高分子材料的可动悬空结构器件。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，包括以下步骤：
a、选用高分子材料作为材料板，采用纳米压印法或者光刻和腐蚀法(包括物理和化学方法)分别制作底座高分子材料板及悬空结构层高分子材料板；所述底座高分子材料板包括底板层、中空的底板层上层及其中空的底板层上层两端的预留结合点；所述悬空结构层高分子材料板包括结构层、悬空结构层；所述悬空结构层两端分别设有预留结合点，所述预留结合点跟所述底座高分子材料板底板上层两端设有的预留结合点相对应；
b、将步骤a得到的底座高分子材料板和悬空结构层高分子材料板于真空中以紫外(UV)光处理后，通过热压键合方法结合得到结合后的材料板；所述底座高分子材料板底板层上层两端设有的预留结合点和悬空结构层两端设有的预留结合点互相结合成预留的入口；
c、往步骤b得到的结合后的材料板的预留的入口注入作为支撑层的补强剂，干燥后，对结合后的材料板的结构层进行精密研磨直至悬空结构层可见；
d、将步骤c得到的装置进行清洗后置于真空环境中分解补强剂，即得到目标悬空结构。
所述高分子材料优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)中的一种。
步骤b中所述紫外光处理指以波长为190-280nm的紫外光曝光处理，以活化材料表面，使其可以直接键合而不需要其他粘合剂。
本发明的有益效果是：采用聚合高分子材料，材料和制作成本更低廉，且流程更简便，精度高。此外由于材料本身的特性带来弹性、透明特性、生物相容性、环境友好型等优点。使用弹性材料的静电激励器需要的驱动力更小，因此它更节能；透明性使其更适用于微流体装置及光学装置；生物相容性使其更适于生物医药领域。
附图说明：
图1是本发明的底座高分子材料板的俯视图；
图2是本发明的底座高分子材料板的侧视图；
图3是本发明的悬空结构层高分子材料板的俯视图；
图4是本发明的悬空结构层高分子材料板的侧视图；
图5是本发明的结合后的材料板的侧视图；
图6是本发明的结合后的材料板注入补强剂后的侧视图；
图7是本发明的结合后的材料板对结构层进行精密研磨直至悬空结构层可见的侧视图；
图8是本发明的目标悬空结构侧视图；
图9是本发明的目标悬空结构侧视图的尺寸图。
其中，100、结构层，200、预留结合点，300、悬臂梁，400、悬动主要结构，500、预留结合点，600、底板，700、补强剂，800、中空的底板层上层。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
本发明的制作方法适用于多种高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)等等。下面实施例中，选用PMMA作为材料板。
实施例1：
一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，包括以下步骤：
a、选用PMMA作为材料板，采用纳米压印法分别制作底座高分子材料板(其俯视图和侧视图分别如图1、2所示)及悬空结构层高分子材料板(其俯视图和侧视图分别如图3、4所示)；如图1、2所示，所述底座高分子材料板包括底板层600、中空的底板层上层800及其中空的底板层上层800两端的预留结合点500；如图3、4所示，所述悬空结构层高分子材料板包括结构层100、悬空结构层；所述悬空结构层两端分别设有预留结合点200，所述预留结合点200跟所述底座高分子材料板底板层600上层两端设有的预留结合点500相对应；本例中所述悬空结构层由悬动主要结构400和悬动主要结构400两端的起支撑作用的两条悬臂梁300组成。
b、将步骤a得到的底座高分子材料板和悬空结构层高分子材料板于真空中以紫外光曝光处理10分钟，以活化材料表面，使其可以直接键合而不需要其他粘合剂。然后在70摄氏度的环境下以4.4MPa的接触压力保持10分钟，使其直接键合。通过上述热压键合方法结合得到的结合后的材料板的侧面图如图5所示；所述底座高分子材料板底板层600上层两端设有的预留结合点500和悬空结构层两端设有的预留结合点200互相结合成预留的入口；
c、往步骤b得到的结合后的材料板的预留的入口注入作为支撑层的补强剂700，使其填满中空空间。结合后的材料板注入补强剂后的侧视图如图6所示。干燥后，对结合后的材料板的结构层100进行精密研磨，依据机构层厚度调节研磨精度，直至悬空结构层可见，如图7所示；
d、利用超声波将步骤c得到的装置进行清洗后置于真空环境中分解补强剂，补强剂分解后即得到目标悬空结构，如图8所示，其尺寸图如图9所示。
实验数据表明本方法制作出的可动悬空结构在给予同样驱动电压下，移动距离是同样大小的传统硅结构的10倍。
Claims (3)
1.一种基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、选用高分子材料作为材料板，采用纳米压印法或者光刻和腐蚀法分别制作底座高分子材料板及悬空结构层高分子材料板；所述底座高分子材料板包括底板层、中空的底板层上层及其中空的底板层上层两端的预留结合点；所述悬空结构层高分子材料板包括结构层、悬空结构层；所述悬空结构层两端分别设有预留结合点，所述预留结合点跟所述底座高分子材料板底板上层两端设有的预留结合点相对应；
b、将步骤a得到的底座高分子材料板和悬空结构层高分子材料板于真空中以紫外光处理后，通过热压键合方法结合得到结合后的材料板；所述底座高分子材料板底板层上层两端设有的预留结合点和悬空结构层两端设有的预留结合点互相结合成预留的入口；
c、往步骤b得到的结合后的材料板的预留的入口注入作为支撑层的补强剂，干燥后，对结合后的材料板的结构层进行精密研磨直至悬空结构层可见；
d、将步骤c得到的装置进行清洗后置于真空环境中分解补强剂，得到目标悬空结构。
2.根据权利要求1所述的基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，其特征在于，所述高分子材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于高分子材料可动悬空结构的制作方法，其特征在于，步骤b中所述紫外光处理指以波长为190-280nm的紫外光曝光处理。
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