CN106829852B - L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法 - Google Patents

L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法。该L型静电驱动微型机器人的制造方法包括以下步骤：步骤S10：制备牺牲层；步骤S20：制造处理第一光刻胶层；步骤S30：制造处理第二光刻胶层；步骤S40：对第一光刻胶层、第二光刻胶层的曝光区域进行显影，除去第一光刻胶层和第二光刻胶层的未曝光区域，从而形成L型结构；步骤S50：对远离牺牲层的L型结构的表面溅射沉积导电金属层，并除去牺牲层。应用该L型静电驱动微型机器人的制造方法所制造的微型机器人解决了现有技术中微型机器人无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求的问题。

Description

L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法
技术领域
本发明涉及微型机器人研究技术领域，具体地，涉及一种L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法。
背景技术
随着对微观系统的不断认知，在生物医学、分析化学和集成电路制造等领域，迫切需要人们开发一些工作对象是微小物体或其位姿微小改变可控的微细作业技术。然而，传统的微操作系统在工作空间、运动精度和作业安全等表现出相应的局限性，无法满足现代的生产要求。例如航空发动机无损探伤、环境监测和细胞操作要求严格避免污染等。
微型化是近十几年工程技术发展领域的一个重要方向。得益于微精密加工和微电子等关键技术的突破，研究人员对微型机器人的研究取得了一系列重大成果。微型机器人结构尺寸微型，器件精密，可进行微细操作，具有惯性小、谐振频率高、响应时间短和附加值高等特点，使其在生物医学、工业生产、航空航天等各方面显示出广阔的应用前景。
目前，微型机器人的工作环境趋于复杂和不确定性，许多时候要求无触点无线驱动，特别是在严格控制污染的场合下，例如细胞或其他生物样本的操作，同时微型机器人还需具备多自由度，工作空间大，轨迹精确可控等综合能力，例如药物的靶向传递，芯片实验室微结构的运输和装配。
由于目前还没有开发出高容量的微型电池，所以用电池供能，一方面会使机器人的尺寸增大，另一方面也无法满足长时间作业的需要。若微型机器人能对某一个外场敏感或者从外场吸收能量，那么就可以获得充足的能源。
研究人员目前已开发出各种各样的微型机器人来满足生产生活需求。按驱动方式划分，主要包括以下几种：
1.微型电机驱动型：依靠合理的驱动机构将微型电机旋转输出进行变换和放大。利用减速增力机构和运动转化机构驱动微型机器人运动。微型电机驱动可满足微型机器人自主性要求，承载力大，可控性强，但由于结构复杂，并且利用电池对微型电机进行供能，不利于进一步小型化。
2.气压驱动型：气压驱动是一种柔性驱动方式，可以直接利用大气压作为气源，通过充气、排气的方式带动微型机器人产生位移。气压驱动能量供应方便而充足，但是微型气压驱动系统无论是从结构复杂程度方面还是应用电池供能方面均很难实现较高程度的微型化，因而气压驱动型微型机器人受限于自身体积过大，限制了它的使用范围。
3.形状记忆合金驱动型：形状记忆合金驱动微型化程度高，驱动力大，适宜于微小空间，其变形是通过外界加热和冷却使结构产生驱动。形状记忆合金是一种非线性之后的材料，主要通过形变来驱动，通过外界加热冷却记忆合金的周期较长，造成微型机器人运动速度慢、精确度低等缺点。
4.电磁驱动型：当加入外加激励磁场时，机器人在磁场力作用下将磁场能直接转化为机构的直线运动位移或圆周旋转角度。电磁驱动方式具有结构简单、输出位移大等优点，但是其驱动力小、形成驱动电磁场所需耗能高、并且控制复杂。
5.压电驱动型：利用材料的压电效应，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形驱动微型机器人运动。采用压电材料驱动具有体积小、频率响应高、易于控制的优点，但是其驱动位移小，所需驱动电压大，在自锁保持过程中也需要供电，使得压电驱动型微型机器人的耗能较高。
6.热力驱动型：利用材料的热膨胀效应，通过采用热膨胀系数大的材料来实现驱动。热驱动方式具有结构简单、驱动力大的优点，但是在对微型机器人驱动的过程中，需要将外部热源相应地与微型机器人同时移动，导致对微型机器人供能不方便，当热源与微型机器人相距较远时，则微型机器人无法获得足够的驱动能量。
针对现有技术中的各种驱动形式的微型机器人，均无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求，以使微型机器人适用于更广泛的范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种L型静电驱动微型机器人、制造方法与控制方法，旨在解决现有技术中微型机器人无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种L型静电驱动微型机器人的制造方法，包括以下步骤：
步骤S10：制备牺牲层；
步骤S20：在牺牲层上涂镀第一光刻胶层，利用第一掩模对准器并通过紫外光对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
步骤S30：在第一光刻胶层上涂镀第二光刻胶层，利用第二掩模对准器并通过紫外光对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
步骤S40：对第一光刻胶层、第二光刻胶层的曝光区域进行显影，并采用化学方法除去第一光刻胶层的未曝光区域和第二光刻胶层的未曝光区域，使得剩余的第一光刻胶层和第二光刻胶层共同形成L型结构；
步骤S50：对远离牺牲层的L型结构的表面溅射沉积导电金属层，并除去牺牲层。
可选地，在步骤S20中，在涂镀完成第一光刻胶层之后，在进行图形化曝光光刻处理之前，对涂镀完成的第一光刻胶层进行第一次加热烘烤。
可选地，在步骤S20中，在图形化曝光光刻处理完成之后进行第二次加热烘烤，并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶层冷却至室温。
可选地，在步骤S30中，在涂镀完成第二光刻胶层之后，在进行图形化曝光光刻处理之前，对涂镀完成的第二光刻胶层进行第三次加热烘烤。
可选地，在步骤S30中，在对第二光刻胶层完成图形化曝光光刻处理之后进行第四次加热烘烤。
可选地，第一次加热烘烤、第二次加热烘烤、第三次加热烘烤以及第四次加热烘烤均包括两个烘烤阶段：第一个烘烤阶段的加热温度范围为60℃至70℃，第二烘烤阶段的加热温度范围为90℃至100℃；其中，第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤时间范围为2min至3min，第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第二个烘烤阶段的烘烤时间范围为4min至6min，第二次加热烘烤与第四次加热烘烤的两个烘烤阶段的烘烤时间范围均为2min至3min。
可选地，第一光刻胶层的厚度范围以及第二层光刻胶层的厚度范围分别为30μm至40μm。
可选地，导电金属层的厚度范围为180nm至220nm。
可选地，对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的时间以及对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的时间均范围为30s至40s。
根据本发明的另一方面，提供了一种L型静电驱动微型机器人，该L型静电驱动微型机器人包括L型结构与导电部，该L型结构为前述的制造方法所制成的L型结构，L型结构放置在导电部上，其中，L型结构包括第一光刻胶层、第二光刻胶层以及导电金属层；第一光刻胶层与第二光刻胶层依次叠置，并且第一光刻胶层与第二光刻胶层形成L形状，导电金属层覆盖在第一光刻胶层与第二光刻胶层上。
根据本发明的又一方面，提供了一种L型静电驱动微型机器人的控制方法，该控制方法用于控制前述的L型静电驱动机器人进行运动；将L型静电驱动微型机器人的L型结构放置在L型静电驱动微型机器人的导电部上，且使L型结构的两端部分别与导电部的表面接触；在导电部上加载电压，并使所加载的电压震荡，以控制L型结构产生形变而移动。
本发明中，应用该制造方法制造成型的L型结构，即该L型静电驱动微型机器人的运动部分，能够通过对成型的L型结构施加静电使得L型结构产生形变，在产生形变与恢复原形状的过程实现移动。通过本发明提供的制造方法不仅能够快捷地对L型结构进行量化生产，而且成型效率高，良品率高，而且制造形成的L型结构作为微型机器人的运动部分，能够有效地解决了现有技术中微型机器人无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求的技术缺陷。
附图说明
图1是本发明的L型静电驱动微型机器人的制造方法的实施例的制造过程的结构示意图；
图2是本发明的L型静电驱动微型机器人的控制方法的实施例的控制过程的结构示意图。
在附图中：
10、牺牲层； 11、第一牺牲层；
12、第二牺牲层； 20、第一光刻胶层；
30、第一掩模对准器； 40、第二光刻胶层；
50、第二掩模对准器； 60、导电金属层；
100、L型结构； 200、导电部。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者间接连接至该另一个元件上。
还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
如图1所示，在本发明的L型静电驱动微型机器人的制造方法的实施例中，包括以下步骤：
步骤S10：制备牺牲层10；
步骤S20：在牺牲层10上涂镀第一光刻胶层20，利用第一掩模对准器30并通过紫外光对第一光刻胶层20进行图形化曝光光刻处理；
步骤S30：在第一光刻胶层20上涂镀第二光刻胶层40，利用第二掩模对准器50并通过紫外光对第二光刻胶层40进行图形化曝光光刻处理；
步骤S40：对第一光刻胶层20、第二光刻胶层40的曝光区域进行显影，并采用化学方法除去第一光刻胶层20的未曝光区域和第二光刻胶层40的未曝光区域，使得剩余的第一光刻胶层20和第二光刻胶层40共同形成L型结构100；
步骤S50：对远离牺牲层10的L型结构100的表面溅射沉积导电金属层60，并除去牺牲层10。
应用该制造方法制造成型的L型结构100，即该L型静电驱动微型机器人的运动部分，能够通过对成型的L型结构100施加静电使得L型结构100产生形变，在产生形变与恢复原形状的过程实现移动。通过本发明提供的制造方法不仅能够快捷地对L型结构100进行量化生产，而且成型效率高，良品率高，而且制造形成的L型结构100作为微型机器人的运动部分，能够有效地解决了现有技术中微型机器人无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求的技术缺陷。
优选地，本实施例所应用的牺牲层10包括第一牺牲层11和第二牺牲层12，其中第一牺牲层11采用硅材料制造成硅片，第二牺牲层12为涂镀在硅片上的Omnicoat牺牲层(一层膜牺牲层)。然后，在Omnicoat牺牲层涂镀第一光刻胶层20。此外，涂镀形成的第一光刻胶层20厚度范围以及第二层光刻胶层40的厚度范围分别为30μm至40μm，即涂镀形成的第一光刻胶层20厚度以及第二层光刻胶层40的厚度分别可以是30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm或40μm，优选厚度为35μm。并且，导电金属层60的厚度范围为180nm至220nm，导电金属层60的厚度可以是180nm、185nm、190nm、195nm、200nm、205nm、210nm、215nm或220nm，优选的导电金属层60厚度为200nm。
在本实施例中，第一光刻胶层20和第二光刻胶层40为SU-8光刻胶材料成型制得，在利用旋涂设备分别进行涂镀第一光刻胶层20与第二光刻胶层40的过程中，旋涂设备的旋涂速度范围为400-600rpm(缓变率为100rpm)，旋涂时间范围为3-8s，接着旋涂速度提高到2400-2600rpm(缓变率为100rpm)，旋涂时间为30s。
在第一光刻胶层20、第二光刻胶层40应用紫外光进行图形化曝光光刻处理的过程中，紫外光的曝光能量为130mJ/cm2。
在采用化学方法除去L型结构100之外的第一光刻胶层20、第二光刻胶层40之前，还需要将整个涂镀、烘烤、曝光完成后的结构件浸在SU-8显影剂中进行清楚显影，使得曝光光刻处理得到L型结构100清晰显现出来。
为降低制造成本，并且能够保证好L型结构100上的导电金属层60的导电性，因而导电金属层60采用金属铜材质进行制造。
在本实施例的制造L型静电驱动微型机器人的制造方法中，在步骤S20中，在涂镀完成第一光刻胶层20之后，对涂镀完成的第一光刻胶层20进行第一次加热烘烤，然后再对第一光刻胶层20进行图形化曝光光刻处理，并且在图形化曝光光刻处理完成之后进行第二次加热烘烤，并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶层20冷却至室温。
接着，在步骤S30中，在涂镀完成第二光刻胶层40之后，对涂镀完成的第二光刻胶层40进行第三次加热烘烤，然后对第二光刻胶层40进行图形化曝光光刻处理，并且需要在图形化曝光光刻处理之后再次对第二光刻胶层40进行第四次加热烘烤。
具体地，第一次加热烘烤、第二次加热烘烤、第三次加热烘烤以及第四次加热烘烤均包括两个烘烤阶段：第一个烘烤阶段的加热温度范围为60℃至70℃，即第一个烘烤阶段的加热温度可以为60℃、61℃、62℃、63℃、64℃、65℃、66℃、67℃、68℃、69℃或70℃，优选为65℃，第二烘烤阶段的加热温度范围为90℃至100℃，即第二烘烤阶段的加热温度可以为90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃或100℃，优选为95℃；其中，第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤时间范围为2min至3min，最优采用烘烤时间为2min，还可以是2.5min；第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第二个烘烤阶段的烘烤时间范围为4min至6min，最优采用烘烤时间为5min，还可以是4.5min或5.5min；第二次加热烘烤与第四次加热烘烤的两个烘烤阶段的烘烤时间范围均为2min至3min，最优采用烘烤时间为2min，还可以是2.5min。
根据本实施例中的第一光刻胶层20与第二光刻胶层40的厚度，选择对两者进行紫外光曝光光刻的时间长度，具体地，对第一光刻胶层20进行图形化曝光光刻处理的时间以及对第二光刻胶层40进行图形化曝光光刻处理的时间范围均为30s至40s，即图形化曝光光刻处理的时间可以为30s、31s、32s、33s、34s、35s、36s、37s、38s、39s或40s，优选为35s。
根据本发明的另一方面，提供了一种L型静电驱动微型机器人的控制方法。该L型静电驱动微型机器人包括L型结构与导电部200，该L型结构为采用前述制造方法制成的L型结构100；当需要控制该L型静电驱动微型机器人的运动部分进行移动时候，则将L型结构100放置在导电部200上，且使L型结构100的两端部分别与导电部200的表面接触；然后在导电部200上加载电压，并使所加载的电压震荡，以控制L型结构100产生形变而移动。如图2所示，在初始状态下，导电部200的上下端侧由于所加电压并未产生震荡，因而上下端并未产生静电电势差(此时向下端电势均为V0)，此时L型结构100并未产生形变，L型结构100即为原形状。当对导电部20所加电压发生震荡时候，导电部200的上下端侧产生静电电势差(V+-V-)，由于L型结构100上的导电金属层60感应到静电电势差的作用而产生被导电部200吸附的形变。当导电部200上所加电压回复正常时候，L型结构100也同时回复原形状，相对于所加电压产生震荡之前的放置的初始位置，此时形变后恢复原形状的L型结构100的位置相对于初始位置前进了Δx位移量。
根据本发明的又一方面，提供了一种L型静电驱动微型机器人。该L型静电驱动微型机器人包括L型结构与导电部200，该L型结构为前述的制造方法所制成的L型结构100，L型结构100放置在导电部200上(待剥离牺牲层后，该独立式的L型结构100自然风干然后转移到导电部200上)，其中，L型结构100包括第一光刻胶层20、第二光刻胶层40以及导电金属层60；第一光刻胶层20与第二光刻胶层40依次叠置，并且第一光刻胶层20与第二光刻胶层40形成L形状，导电金属层60覆盖在第一光刻胶层20与第二光刻胶层40上，即如图1所示放置的L型结构100，导电金属层60覆盖在此时的L型结构100的与水平面平行的所有上表面。
相比于现有技术中一般的微型机器人，该L型静电驱动微型机器人结构简单，制作方法容易，通过紫外线曝光光刻的第一光刻胶层20、第二光刻胶层40以及沉积铜层(即导电金属层60)，可一次性实现批量生产，提高了生产制造的时间效益和成本效益。应用上述制造方法生成的L型静电驱动微型机器人的质量良好。同时，由于对导电部200的电压加载方式简单，即只需控制震荡电压值，就可靠静电力驱动微型机器人按照特定路线运动，当加载1000V、50Hz的电压时，该微型机器人的最大步长可达到0.1μm，平均速度达到了300μm/min，使得这些微型机器人能够适应各种各样的复杂工作环境，例如航空发动机无损探伤、环境监测和细胞操作等等，并且耗能相对现有技术而言大大降低，节省能耗。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10：制备牺牲层；
步骤S20：在牺牲层上涂镀第一光刻胶层，利用第一掩模对准器并通过紫外光对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
步骤S30：在第一光刻胶层上涂镀第二光刻胶层，利用第二掩模对准器并通过紫外光对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
步骤S40：对第一光刻胶层、第二光刻胶层的曝光区域进行显影，并采用化学方法除去第一光刻胶层的未曝光区域和第二光刻胶层的未曝光区域，使得剩余的第一光刻胶层和第二光刻胶层共同形成L型结构；
步骤S50：对远离牺牲层的L型结构的表面溅射沉积导电金属层，并除去牺牲层。
2.如权利要求1所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，在步骤S20中，在涂镀完成第一光刻胶层之后，在进行图形化曝光光刻处理之前，对涂镀完成的第一光刻胶层进行第一次加热烘烤。
3.如权利要求2所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，在步骤S20中，在图形化曝光光刻处理完成之后进行第二次加热烘烤，并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶层冷却至室温。
4.如权利要求3所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，在步骤S30中，在涂镀完成第二光刻胶层之后，在进行图形化曝光光刻处理之前，对涂镀完成的第二光刻胶层进行第三次加热烘烤。
5.如权利要求4所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，在步骤S30中，在对第二光刻胶层完成图形化曝光光刻处理之后进行第四次加热烘烤。
6.如权利要求5所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，第一次加热烘烤、第二次加热烘烤、第三次加热烘烤以及第四次加热烘烤均包括两个烘烤阶段：第一个烘烤阶段的加热温度范围为60℃至70℃，第二烘烤阶段的加热温度范围为90℃至100℃；其中，第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤时间范围为2min至3min，第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第二个烘烤阶段的烘烤时间范围为4min至6min，第二次加热烘烤与第四次加热烘烤的两个烘烤阶段的烘烤时间范围均为2min至3min。
7.如权利要求1至6中任一项所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，第一光刻胶层的厚度范围以及第二层光刻胶层的厚度范围分别为30μm至40μm。
8.如权利要求7所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，导电金属层的厚度范围为180nm至220nm。
9.如权利要求7所述的L型静电驱动微型机器人的制造方法，其特征在于，对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的时间以及对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的时间均范围为30s至40s。
10.L型静电驱动微型机器人，其特征在于，该L型静电驱动微型机器人包括L型结构与导电部，该L型结构为权利要求1至9中任一项所述的制造方法所制成的L型结构，L型结构放置在导电部上，其中，L型结构包括第一光刻胶层、第二光刻胶层以及导电金属层；第一光刻胶层与第二光刻胶层依次叠置，并且第一光刻胶层与第二光刻胶层形成L形状，导电金属层覆盖在第一光刻胶层与第二光刻胶层上。
11.L型静电驱动微型机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法用于控制权利要求10所述的L型静电驱动机器人进行运动；
将L型静电驱动微型机器人的L型结构放置在L型静电驱动微型机器人的导电部上，且使L型结构的两端部分别与导电部的表面接触；
在导电部上加载电压，并使所加载的电压震荡，以控制L型结构产生形变而移动。
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