CN107215845A - 一种基于pdms振膜的mems静电执行器及制作方法 - Google Patents

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赵鸿滨
苑鹏
杨志民
杜军
徐瑶华
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Abstract

本发明公开了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)振膜的静电执行器及制作方法。该具有静电执行器是以PDMS薄膜作为可以往复运动的高弹性薄膜作为振膜形成执行器部件，与以往全Si静电执行器相比，本发明所述基于PDMS静电执行器不仅可以简化MEMS微泵的加工工艺，降低材料成本，由于其弹性模量比Si小，可降低全Si静电执行器件的驱动电压。

Description

一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器及制作方法
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器及制作方法。
背景技术
随着静电驱动方法在MEMS器件中被广泛采用，静电式执行器成为一种重要的驱动器件。其工作原理系利用异性电荷间产生的库仑力作用而产生的机械运动。静电执行器可以采用全Si的工艺，并且能够与IC工艺相兼容，在批量化生产上有很大的优势，且其驱动力较大、功耗低，有很大的应用前景。
基于静电驱动的MEMS微型泵是微流体系统中的关键部件，微泵作为微流体系统的执行部件，在生物、化学、医疗、检疫以及国防等方面构建微分析系统(μTAs)有着广泛的用途。
采用静电驱动可以获得较高的驱动频率，其具有能耗低(一般为毫瓦级)、振动膜片形变易于控制、响应时间短等特点。但是，静电驱动也有驱动电压高(一般大于50V)，这与IC电路所用的低电压不兼容；此外，微泵中还需要防止电路短路的绝缘膜，通常需要采用造价昂贵的SOI片作为原材料，大大增加了制造成本。
本发明提出了采用基于PDMS材料作为振膜的MEMS静电执行器，其工艺简单、材料成本远低于Si，且其生物兼容性好。因其弹性模量相对Si薄膜小，可在较低的驱动电压下工作，在生物检测等领域具有较强应用前景。
发明内容
本发明针对传统静电执行器中制造材料昂贵、工艺较为复杂的的问题，提供了一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器及制作方法，该MEMS静电执行器由复合振动薄膜层、下电极层和硅结构层组成，其特征在于，复合振动薄膜层由两层PDMS薄膜层中间夹一层导电薄膜层组成。
所述的PDMS薄膜具有较好弹性，其厚度为100-300微米。
所述复合振动薄膜层中的导电薄膜层为金属或导电氧化物、导电聚合物中的一种。
所述下电极层为非本征半导体的Si薄膜，其厚度为1-100微米。
所述下电极层的上、下界面层分别为绝缘性的薄膜层，以保护下电极层在静电驱动工作时不形成漏电。
所述绝缘性的薄膜层为氧化硅、氧化铝绝缘薄膜材料中的一种。
一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器的制备方法，包括如下步骤：
(1)PDMS薄膜的制备，PDMS按照交联剂与固化剂5:1～15:1的比例混合、固化；
(2)PDMS振膜图形化，采用UV软刻蚀或激光切割等方式对PDMS进行加工；
(3)PDMS膜沉积金属电极层；
(4)沉积绝缘薄膜以使金属电极层有效隔离；
(5)与下电极层通过有机物粘接。
附图说明
图1为基于PDMS振膜的MEMS静电执行器的结构示意图；
01为第一PDMS薄膜层，02为上电极层，03为第二PDMS薄膜层，04为第一绝缘氧化硅，05为硅电极层，06为第二绝缘氧化硅层，07为Si结构层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器及制作方法，下面结合附图对本发明进一步说明。
一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器，如图1所示，01为第一PDMS薄膜层，02为上电极层，03为第二PDMS薄膜层，04为第一绝缘氧化硅，05为硅电极层，06为第二绝缘氧化硅层，07为Si结构层，上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成闭合运动空间。
所述上电极层02可为金属或导电氧化物、导电聚合物层。其上、下层分别为具有弹性和绝缘性能的PDMS薄膜01、03，以保护上电极02。
所述下电极05为硅薄膜层，其厚度为10-200微米。其下层为具有绝缘性能的氧化硅薄膜04、07，以保护下电极05形成绝缘层。
所述硅层07为起到支撑作用的Si层。
实施例
一种基于PDMS振膜的MEMS静电执行器的制作方法，包括下述步骤：
首先在双面抛光Si上旋涂PDMS，其配比为10:1。然后经真空干燥箱内固化。
在固化好的PDMS薄膜(01)上采用电子束蒸发沉积Au电极层(02)。然后再旋涂PDMS，其配比为10:1。经真空干燥箱内固化，形成PDMS薄膜(03)，薄膜厚度为100微米。采用激光切割或模板对PDMS进行刻蚀，以形成电极区域。
采用背面光刻、并对Si进行刻蚀实现泵腔的制备，完成泵腔与PDMS振膜的组装。
选取表面氧化层厚度为300纳米的双面抛光Si硅片用以制作下电极。首先在下电极区域刻蚀振膜腔体，腔体深度为50-100微米。
然后将上述Si片进行热氧化处理以形成对Si层的隔离。
采用刻蚀工艺对Si片进行处理，形成下电极区域。最后，辅助以对准装置，通过胶体将执行器的各个组件采用粘接的方式组装。

Claims (7)

1.一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)振膜的MEMS静电执行器，由复合振动薄膜层、下电极层和硅结构层组成，其特征在于，复合振动薄膜层由两层PDMS薄膜层中间夹一层导电薄膜层组成。
2.根据权利要求1所述MEMS静电执行器，其特征在于：所述的PDMS薄膜具有较好弹性，其厚度为100-300微米。
3.根据权利要求1所述MEMS静电执行器，其特征在于：所述复合振动薄膜层中的导电薄膜层为金属或导电氧化物、导电聚合物中的一种。
4.根据权利要求1所述MEMS静电执行器，其特征在于：所述下电极层为非本征半导体的Si薄膜，其厚度为1-100微米。
5.根据权利要求1所述MEMS静电执行器，其特征在于：所述下电极层的上、下界面层分别为绝缘性的薄膜层，以保护下电极层在静电驱动工作时不形成漏电。
6.根据权利要求5所述MEMS静电执行器，其特征在于：所述绝缘性的薄膜层为氧化硅、氧化铝绝缘薄膜材料中的一种。
7.权利要求1所述的MEMS静电执行器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)PDMS薄膜的制备，PDMS按照交联剂与固化剂5:1～15:1的比例混合、固化；
(2)PDMS振膜图形化，采用UV软刻蚀或激光切割等方式对PDMS进行加工；
(3)PDMS膜沉积金属电极层；
(4)沉积绝缘薄膜以使金属电极层有效隔离；
(5)与下电极层通过有机物粘接。
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