CN107934906A - 一种基于柔性薄膜的mems执行器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性薄膜的MEMS执行器，构成包括透明基底(1)，透明基底(1)的中部设有铜线圈(2)，铜线圈(2)的两端分别连接有设置在透明基底上的导电片(3)，透明基底(1)的两侧经间隔层(4)设有硅衬底(7)，硅衬底(7)上设有一层柔性薄膜(5)，柔性薄膜(5)的内表面上设有一层磁性复合层(6)，磁性复合层(6)位于铜线圈(2)的上方。本发明具有优异的柔韧性和高断裂强度，大大增加了设备的稳定性和效能以及使用寿命。本发明还采用磁性复合材料来替代永磁铁的使用，可以同时保证薄膜的柔性和磁力的强度，提高了实用性和便利性。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS执行器及其制作方法，特别是一种基于柔性薄膜的MEMS执行器及其制作方法。
背景技术
随着微流控技术的发展，流体芯片实验室技术得到了广泛的研究。其中，为了将流体从储存腔体推送至外界系统，膜偏转执行器是微型流体泵送系统的重要部件之一，要求具有极高的位置精准性和灵活可控性。目前已经报道的用于流体泵送系统中，微执行器驱动动力源主要是基于压电式、电磁式、静电式和热气式的工作原理。其中利用电磁驱动的微型泵送系统由于低功耗和控制精准等特点得到了大量的开发利用。但是市场上主流泵送系统中使用的微执行器膜大都采用硅基板制成，众所周知，硅是脆性材料，具有较低的柔韧性和易断裂性。其次，直接将永磁体固定在硅基板下方，当施加其上的机械力过大时，硅基板经常会出现裂纹，甚至是断裂的危险。而且，此技术的组装工艺难度高，无疑也增加了制作成本。在设备的长期使用过程中，由于无法保证泵送系统的机械稳定性和可靠性，使命寿命和安全系数都大大降低。另一方面，永磁铁的直接使用虽然工序简单，但是磁铁太硬，影响薄膜的运动效果，而且磁铁和基板之间的粘性也会长久失效。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于柔性薄膜的MEMS执行器及其制作方法。本发明具有优异的柔韧性和高断裂强度，大大增加了设备的稳定性和效能以及使用寿命。本发明还采用磁性复合材料来替代永磁铁的使用，可以同时保证薄膜的柔性和磁力的强度，提高了实用性和便利性。
本发明的技术方案：一种基于柔性薄膜的MEMS执行器，包括透明基底，透明基底的中部设有铜线圈，铜线圈的两端分别连接有设置在透明基底上的导电片，透明基底的两侧经间隔层设有硅衬底，硅衬底上设有一层柔性薄膜，柔性薄膜的内表面上设有一层磁性复合层，磁性复合层位于铜线圈的上方。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述磁性复合层由聚合物溶液和磁性颗粒(NdFeB磁性颗粒)均匀混合而成，磁性颗粒的体积密度为2％-10％。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述铜线圈和导电片通过磁控溅射系统蒸镀在透明基底上，其厚度范围为100nm-200nm。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述硅衬底上设有与磁性复合层大小一致的方孔；硅衬底是通过4英寸的硅晶圆刻蚀而成，硅衬底的厚度为500μm，在KOH或者TMAH溶液中的湿法刻蚀角度为54.7°。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述透明基底上设有四个通孔，四个通孔内分别固定两个导电片和铜线圈的两端，铜线圈的两端通过铜电极分别与两个导电片连接，铜电极设置在透明基底的背面。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述柔性薄膜是高分子聚合物薄膜。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述透明基底是玻璃板或亚克力板。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器中，所述导电片上通过导电胶将铜丝固定在其上。
根据前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器的制作方法，按下述步骤进行：
①准备一片玻璃材质的基底并用酒精和去离子水进行清洗；
②利用旋涂技术以500rpm的转速在30s内将PMDS液体均匀的覆盖在基底上面，并在70°的环境里加热10h-12h；
③将碾碎的NdFeB磁性颗粒均匀的散在聚合物溶液内，搅拌均匀；之后加热进行固化处理形成磁性复合层；
④制备好的磁性复合层粘附在PMDS薄膜表面，再将PDMS薄膜从玻璃材质的基底上剥离，然后覆盖在刻蚀好的单个硅衬底上，使用胶液进行粘性加固处理；
⑤利用激光切割机制作间隔层和透明基底；
⑥在透明基底上制作铜线圈和导电片；
⑦将间隔层、硅衬底依次叠加并粘附在透明基底上。
前述的基于柔性薄膜的MEMS执行器的制作方法中，所述透明基底上制作铜线圈的方法按如下步骤：
①将玻璃或或PMMA材质的透明基底用酒精和去离子水进行清洗；
②利用磁控溅射系统在透明基底蒸镀100nm-200nm厚度的铜层；
③利用旋涂技术以2000rpm的转速在30s内分别将HMDS溶液和光刻胶均匀的覆盖在铜层上面；
④将已制好的掩膜版放在光刻机内，并对光刻胶进行曝光处理，曝光时间为7s；
⑤将曝光后的透明基底放在显影液内，出现明显的光刻胶图案生成后取出；
⑥将透明基底放在加热板上，在110°的设定温度下进行5min的硬烘干；
⑦对铜层进行刻蚀，实现电极图案的转移；
⑧将剩余的光刻胶全部去除，最后用去离子水进行清洗即可。
与现有技术相比，本发明采用柔性薄膜具有优异的柔韧性和高断裂强度，可任意折叠弯曲而不影响其机械和力学性能，保障了器件的稳定性、可靠性，大大降低使用寿命的限制。磁性复合材料的使用可以同时保证驱动器薄膜的柔软度和磁力的强度，提高了实用性和便利性，本器件的MEMS制作工序流程十分简单，次品率低，适合于批量生产。本发明由聚合物类型材料制成的柔性薄膜具有优异的柔韧性和高断裂强度，大大增加了设备的稳定性和效能以及使用寿命，而且可以任意调整薄膜的厚度来增加膜驱动的灵活性。本发明还提出了采用磁性复合材料来替代永磁铁的使用，磁性复合层由微小的磁颗粒和聚合物溶液均匀混合而成，可以同时保证薄膜的柔性和磁力的强度，提高了实用性和便利性，增加了本产品的适用范围。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的背面电极示意图；
图3是本发明的单个硅衬底刻蚀图案图；
图4是本发明的制作方法工艺流程图；
图5是本发明的铜线圈制作方法的工艺流程图；
图6是本发明的测试系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种基于柔性薄膜的MEMS执行器(MEMS执行器是将电信号转化为微动作或微操作的MEMS器件)，构成如图1和2所示，包括透明基底1，透明基底1的中部设有铜线圈2，铜线圈2的两端分别连接有设置在透明基底上的导电片3，透明基底1的两侧经间隔层4设有硅衬底7，硅衬底7上设有一层柔性薄膜5，柔性薄膜5的内表面上设有一层磁性复合层6，磁性复合层6位于铜线圈2的上方。
所述磁性复合层6由聚合物溶液和磁性颗粒(NdFeB磁性颗粒)均匀混合而成，磁性颗粒的体积密度为2％-10％，用以维持较薄的复合层厚度，且具有良好的柔韧性和延展性，以及较强的磁性。
所述铜线圈2和导电片3通过磁控溅射系统蒸镀在透明基底上，其厚度范围为100nm-200nm。
所述硅衬底7上设有与磁性复合层大小一致的方孔；硅衬底是通过4英寸的硅晶圆刻蚀而成，硅衬底的厚度为500μm，在KOH或者TMAH溶液中的湿法刻蚀角度为54.7°。
所述透明基底1上设有四个通孔，四个通孔内分别固定两个导电片和铜线圈的两端，铜线圈的两端通过铜电极分别与两个导电片连接，铜电极设置在透明基底的背面。如图2所示，铜线圈2的两端通孔8通过铜导线9连接导电片的通孔10，从而使得铜线圈的两端通过铜电极分别与两个导电片连接。
所述柔性薄膜5是高分子聚合物薄膜，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS),硅橡胶和Eco-flex。
所述透明基底1是玻璃板或亚克力板。
所述导电片3上通过导电胶将铜丝固定在其上，从而与外部电源连接。
所述的硅衬底7通过4英寸的硅晶圆批量刻蚀而成，硅衬底7的面积与柔性薄膜5的面积一致，硅衬底7的内部方孔的大小与磁性复合层6的面积一样。
如图3所示，本发明的单个硅衬底7刻蚀图案。在制作硅片刻蚀的掩膜版时，批量复制图3所呈现的图案，进行硅衬底7的批量化生产。然后准备一张4英寸硅片并进行光刻过程，并进行分离处理，可得单个的硅衬底7。标准硅衬底的厚度为500μm，在KOH或者TMAH溶液中的湿法刻蚀角度为54.7°。
所述的间隔层4可选用与透明基底1一样的材料，且厚度具有可调节性，用以调整铜线圈2与磁性复合层6之间的间距。
如图4所示，所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器的制作方法，按下述步骤进行：
①准备一片玻璃材质的基底并用酒精和去离子水进行清洗；
②利用旋涂技术以500rpm的转速在30s内将PMDS液体均匀的覆盖在基底上面，并在70°的环境里加热10h-12h；
③将碾碎的NdFeB磁性颗粒均匀的散在聚合物溶液内，搅拌均匀；之后加热进行固化处理形成磁性复合层；
④制备好的磁性复合层粘附在PMDS薄膜表面，再将PDMS薄膜从玻璃材质的基底上剥离，然后覆盖在刻蚀好的单个硅衬底上，使用胶液进行粘性加固处理；
⑤利用激光切割机制作间隔层和透明基底；
⑥在透明基底上制作铜线圈和导电片；
⑦将间隔层、硅衬底依次叠加并粘附在透明基底上。
如图5所示，所述透明基底上制作铜线圈的方法按如下步骤：
①将玻璃或或PMMA材质的透明基底用酒精和去离子水进行清洗；
②利用磁控溅射系统在透明基底蒸镀100nm-200nm厚度的铜层；
③利用旋涂技术以2000rpm的转速在30s内分别将HMDS溶液和光刻胶均匀的覆盖在铜层上面；
④将已制好的掩膜版放在光刻机内，并对光刻胶进行曝光处理，曝光时间为7s；
⑤将曝光后的透明基底放在显影液内，出现明显的光刻胶图案生成后取出；
⑥将透明基底放在加热板上，在110°的设定温度下进行5min的硬烘干；
⑦对铜层进行刻蚀，实现电极图案的转移；
⑧将剩余的光刻胶全部去除，最后用去离子水进行清洗即可。
如图6所示，本发明的工作原理为：将直流电源的正负极分别连接器件的两个导电片3，从而铜线圈2经电流流过产生磁场，该磁场与磁性复合层6的磁场相互作用，可推动柔性薄膜5的上下起伏运动。控制直流电源的供电功率和频率可对柔性薄膜5的运动规律进行控制。可以使用激光位移测量来探测薄膜运动的形变量，高斯测量仪则可以直接读出磁性复合层的磁场强度。
Claims (10)
1.一种基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：包括透明基底(1)，透明基底(1)的中部设有铜线圈(2)，铜线圈(2)的两端分别连接有设置在透明基底上的导电片(3)，透明基底(1)的两侧经间隔层(4)设有硅衬底(7)，硅衬底(7)上设有一层柔性薄膜(5)，柔性薄膜(5)的内表面上设有一层磁性复合层(6)，磁性复合层(6)位于铜线圈(2)的上方。
2.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述磁性复合层(6)由聚合物溶液和磁性颗粒均匀混合而成，磁性颗粒的体积密度为2％-10％。
3.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述铜线圈(2)和导电片(3)通过磁控溅射系统蒸镀在透明基底上，其厚度范围为100nm-200nm。
4.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述硅衬底(7)上设有与磁性复合层大小一致的方孔；硅衬底是通过4英寸的硅晶圆刻蚀而成，硅衬底的厚度为500μm，在KOH或者TMAH溶液中的湿法刻蚀角度为54.7°。
5.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述透明基底(1)上设有四个通孔，四个通孔内分别固定两个导电片和铜线圈的两端，铜线圈的两端通过铜电极分别与两个导电片连接，铜电极设置在透明基底的背面。
6.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述柔性薄膜(5)是高分子聚合物薄膜。
7.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述透明基底(1)是玻璃板或亚克力板。
8.根据权利要求1所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器，其特征在于：所述导电片(3)上通过导电胶将铜丝固定在其上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器的制作方法，其特征在于，按下述步骤进行：
①准备一片玻璃材质的基底并用酒精和去离子水进行清洗；
②利用旋涂技术以500rpm的转速在30s内将PMDS液体均匀的覆盖在基底上面，并在70°的环境里加热10h-12h；
③将碾碎的NdFeB磁性颗粒均匀的散在聚合物溶液内，搅拌均匀；之后加热进行固化处理形成磁性复合层；
④制备好的磁性复合层粘附在PMDS薄膜表面，再将PDMS薄膜从玻璃材质的基底上剥离，然后覆盖在刻蚀好的单个硅衬底上，使用胶液进行粘性加固处理；
⑤利用激光切割机制作间隔层和透明基底；
⑥在透明基底上制作铜线圈和导电片；
⑦将间隔层、硅衬底依次叠加并粘附在透明基底上。
10.根据权利要求9所述的基于柔性薄膜的MEMS执行器的制作方法，其特征在于，所述透明基底上制作铜线圈的方法按如下步骤：
①将玻璃或或PMMA材质的透明基底用酒精和去离子水进行清洗；
②利用磁控溅射系统在透明基底蒸镀100nm-200nm厚度的铜层；
③利用旋涂技术以2000rpm的转速在30s内分别将HMDS溶液和光刻胶均匀的覆盖在铜层上面；
④将已制好的掩膜版放在光刻机内，并对光刻胶进行曝光处理，曝光时间为7s；
⑤将曝光后的透明基底放在显影液内，出现明显的光刻胶图案生成后取出；
⑥将透明基底放在加热板上，在110°的设定温度下进行5min的硬烘干；
⑦对铜层进行刻蚀，实现电极图案的转移；
⑧将剩余的光刻胶全部去除，最后用去离子水进行清洗即可。
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