CN109446556A - 一种用于微纳尺度多级结构装配的方法及其验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微纳尺度多级结构装配的方法及其验证方法，属于电子元器件制造领域，本发明利用硅胶基体的收缩变形，一级屈曲形成微纳尺度三维结构，并在一级屈曲结构的底部生长一层厚度和几何外形可控的下层二维薄膜结构，将结构整体从硅胶基体表面移除后，在不施加外在因素的条件下，上层的二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构会发生二次屈曲变形，进而形成多级装配结构；本发明还公开了验证其正确性的方法；本发明的有限元方法可以满足半导体结构的多级装配需求，克服了传统技术无法应用于半导体薄膜结构的缺点，同时引入多级屈曲装配的方法，丰富了三维结构的形态，增加了三维结构器件在设计上的可选择性。

Description

一种用于微纳尺度多级结构装配的方法及其验证方法

技术领域

本发明属于电子元器件制造，三维通讯线圈制造，生物/医疗支架和传感器设计制造等领域，具体是指一种用于微纳尺度多级结构装配的方法。

背景技术

微纳尺度的3D组装结构越来越受到科学和工程领域的重视。其主要应用领域包括：生物医药、机器人、电池、传感器、微机电系统(MEMS)、光学和光遗传学等领域。现有的三维装配技术主要有：“直写技术”，包括双/多光子光刻技术，激光直写技术和3D打印技术等；结构弯折技术，包括残余应力弯折技术，毛细力弯折技术和智能驱动材料技术、屈曲诱导的三维结构装配技术。

其中屈曲诱导的三维结构装配技术可以实现对半导体、金属和高分子聚合物薄膜结构的复杂装配过程，在现代半导体工艺中具有广阔的应用前景。但是利用硅胶基体的装配技术中，硅胶基体的存在限制了结构的自由使用，具有极大的约束性。现有的技术中，Yan等人发表了最新的研究成果(Yan,Z.,Han,M.,Shi,Y.,Badea,A.,Yang,Y.,Kulkarni,A.,Hanson,E.,Kandel,M.,Wen,X.,Zhang,F.,Luo,Y.,Lin,Q.,Zhang,H.,Guo,X.,Huang,Y.,Nan,K.,Jia,S.,Oraham,A.W.,Mevis,M.B.,Lim,J.,Guo,X.,Gao,M.,Ryu,W.,Yu,K.J.,Nicolau,B.G.,Petronico,A.L.,Rubakhin,S.,Lou,J.,Ajayan,P.M.,Thornton,K.,Popescu,G.,Fang,D.,Sweedler,J.V.,Braun,P.V.,Zhang,H.,Nuzzo,R.G.,Huang,Y.,Zhang,Y.,Rogers,J.A.,Three-Dimensional Mesostructures as High TemperatureGrowth Templates,Electronic Cellular Scaffolds and Self-Propelled Micro-Robots.Proc.Natl.Acad.Sci.,114,pp.E9455-E9464.(2017).)，可以利用该公开的技术在结构的底部生长一层新的结构，使得新结构的厚度和刚度均大于上层的三维结构。之后，将硅胶基体移除，新结构可以保持原有的三维形态。

但是，现有利用的屈曲诱导的结构装配技术的研究中还只停留在只有一次屈曲，在结构形态上存在限制；其次现有的大多数微纳尺度三维制备技术在材料选择上仅适用于陶瓷，金属，高分子聚合物等，对半导体材料的三维结构制备技术还鲜见报道，且现有技术大多具有过程不可控制性与不可逆性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，该方法利用硅胶基体的收缩变形形成微纳尺度三维结构，并利用光敏树脂在结构的底部生长一层厚度和几何外形可控的层状结构。将结构整体从硅胶基体表面移除后，底部新生长的层状结构会发生二次屈曲变形，进而形成多级装配结构。

本发明是这样实现的：

本发明公开了一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：利用有限元软件建立上层二维薄膜结构(上层二维结构)以及下层二维薄膜结构(下层二维结构)的几何模型；且上层二维薄膜结构的端部设计为粘接部分，该粘接部分可以设计成正方形，但是该粘接部分的结构不限于正方形；

步骤二：利用有限元软件自带的线性摄动分析，求出上层二维薄膜结构的屈曲模态和对应的加载值，并将这些参数作为结构的初始缺陷施加在上层二维薄膜结构上；

步骤三：对结构施加压缩载荷使得上层二维薄膜结构压缩变形，结构发生一次屈曲，形成一级屈曲结构；一次屈曲仅是上层结构的屈曲；

步骤四：将步骤三中的一级屈曲结构的粘接部分与下层二维薄膜结构设置为“绑定”状态，即，一级屈曲结构、下层二维薄膜结构二者之间不会发生分离或界面滑移；

步骤五：释放掉施加的压缩载荷，移除硅胶基体，使得结构自由变形，结构发生二次屈曲，即在不施加外在因素的条件下，两层结构一起变形，变形后形成由上层二维薄膜结构和下层二维薄膜结构直接形成能够准确预计变形量的多级装配结构。改二次屈曲后形成的是最终结构，由上层二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构构成。和一级屈曲的区别在于，一级屈曲仅是上层结构的屈曲，二次屈曲为两层结构一起变形，且时间上存在先后顺序，一级屈曲是二次(二级)屈曲的基础。

进一步，所述的变形量是在多级结构装配后，由下层二维薄膜结构变形程度的量化公式得到，公式如下：

其中，H表示下层二维薄膜结构屈曲后的平均面外变形，变形沿竖直方向变形；E和T分别代表上层以及下层二维薄膜结构薄膜材料的杨氏模量和厚度，下表“top”和“bot”分别代表上层和下层二维薄膜结构；式中右侧第二项视为上下层二维薄膜结构的抗弯刚度的比值；ε_comp为压缩载荷；a和b是和结构几何尺寸相关的常数，在实际设计中，a，b需要通过公式(1)中的有限元方法计算拟合得到，计算方法为通过更换E和T的值，得到一组有限元仿真数据，然后带入公式(1)中，拟合得到a和b。

进一步，在步骤一中：首先利用结构屈曲诱导的三维装配方法，利用硅胶基体将上层二维薄膜结构由平面状态转变为三维屈曲结构；然后利用背光投影技术，在一级屈曲结构的底部生长一层新的平面结构，即下层二维薄膜结构，通过控制紫外光照时间，控制下层二维薄膜结构的厚度达到设计厚度。

进一步，所述的上层二维薄膜结构由平面状态转变为三维屈曲结构具体步骤为：对硅胶基体施加两个正交方向的均匀预拉伸；再将上层二维薄膜结构的粘接部分与预拉伸后的硅胶基体粘接在一起，之后释放硅胶基体中的预拉伸，结构会随着硅胶基体的收缩，由二维结构转变为三维结构。

进一步，所述的下层二维薄膜结构的材料采用光敏环氧树脂SU8。

进一步，所述的上层以及下层二维薄膜结构包括高分子聚合物薄膜、半导体、金属薄膜以及高分子、金属、半导体复合薄膜结构。

进一步，所述的上层二维薄膜结构施加压缩载荷后压缩变形范围在0～300％。

本发明还公开了用于微纳尺度多级结构装配方法的验证方法，利用毫米尺度实验，对结果进行了验证。具体步骤为：

1)利用自动刻字机将不同厚度的高分子薄膜、金属，或者高分子/金属复合薄膜割成有限元软件设计的上层二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构；

2)然后将下层二维薄膜结构粘接在一层水溶性胶带上，再将上层二维薄膜结构的屈曲结构的粘接部分粘在下层二维薄膜结构的表面，室温条件下静置5-60分钟至胶结处完全凝固，具体的静置时间由胶体性能决定；

3)最后将结构整体放置于75-85摄氏度的恒温水浴中，浸泡40分钟，结构与水溶性胶带脱离，形成多级装配结构，将其与利用有限元软件设计的多级装配结构进行对比验证。

进一步，所述的高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

1)本发明针对高分子聚合物薄膜、半导体、金属薄膜以及高分子、金属、半导体复合薄膜结构，尤其是可以满足半导体结构的多级装配需求，克服了传统技术无法应用于半导体薄膜结构的缺点，同时引入多级屈曲装配的方法，丰富了三维结构的形态，增加了三维结构器件在设计上的可选择性；

2)通过本发明方法明制备的多级装配结构为上层二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构构成，解决了现有技术中结构形态多为单层结构的限制；此外，本发明的方法还可以应用于半导体薄膜结构中，目前的技术中还没有出现半导体薄膜的多级装配结构；

3)本发明方法过程可控且可逆：本发明基于“屈曲诱导的微纳结构装配技术”可以通过施加在硅胶基体中的预拉伸来控制结构的变形量；另外，还可以再次对硅胶基体实施预拉伸，使得结构恢复到平面状态，可以通过施加外力，使得下层结构回复至平面状态，撤销外力后结构又发生二次屈曲，成为多级装配状态；

4)本发明克服了传统技术无法应用于三维半导体器件装配的缺点，提出了半导体薄膜器件的多级装配概念，拓展了屈曲诱导的三维装配技术，形成了新的多级装配技术，丰富了三维半导体器件的结构形式，为半导体器件的设计和制备提供了新的选择，本发明还首次利用毫米尺度实验，对有限元方法的多级装配结构结果进行验证，仿真分析和实验结果都证明了本发明方法的正确性和实用性。

附图说明

图1为本发明的多级结构装配过程示意图；

图2为本发明的多级装配结构为圆桌形结构的变形量分析；

图3为本发明的多级装配结构为花篮形结构的变形量分析；

图4为本发明实施例中验证试验中的毫米尺度多级装配结构；

图5为利用本发明的有限元仿真分析方法与毫米尺度实验对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种新的多级装配结构的设计方法。该方法包括微纳尺度多级装配结构的设计方法和实验验证。

如图1所示，图1为本发明的多级结构装配过程示意图，如图1所示，首先利用结构屈曲诱导的三维装配方法，利用硅胶基体将上层二维薄膜结构由平面状态转变为三维屈曲结构。然后，保持上层二维薄膜结构和硅胶基体的粘接状态，在结构的底部浸润(硅胶基体的表面)注入液态光敏树脂(SU8)，并在液态的光敏数值表面覆盖一层具有一定图案设计的遮光层，利用背光投影技术，用紫外光照射光敏数值未被遮光层覆盖的部分，经过一定时间和紫外光照剂量后，会在一级屈曲结构的底部生长一层新的平面结构。通过控制紫外光照时间，控制新生长结构的厚度达到设计厚度，其几何形状由遮光层决定。最后，移除硅胶基体，上层二维薄膜结构和底部的下层二维薄膜结构(新生长的SU8结构)会一起发生二次屈曲，形成多级装配结构。

图1中所示的装配过程由有限元仿真设计完成。利用商用软件ABAQUS对结构进行设计分析的主要步骤包括：

1.建立上层和下层二维薄膜结构的几何模型；

2.在上层二维薄膜结构的端部设计正方形的粘接部分，该粘接部分具体形状设计不受限制；

3.利用有限元软件自带的线性摄动分析，求出上层二维薄膜结构的屈曲模态和对应的特征值(加载值)，并将这些参数作为结构的初始缺陷施加在结构上；

4.对结构施加压缩载荷(压缩变形范围在0～300％)，结构发生屈曲，形成图1中所示的一级屈曲结构。

5.将一级屈曲结构的(正方形)粘接部分与下层二维薄膜结构设置为“绑定”状态，即，二者之间不会发生分离或界面滑移；

6.释放掉施加的压缩载荷，使得结构自由变形，最终形成多级装配结构。

根据理论分析和仿真设计，本发明提出了多级结构装配后，下层二维薄膜结构的变形程度的量化公式：

其中，H表示下层二维薄膜结构屈曲后的平均面外变形(沿竖直方向变形)。E和T分别代表薄膜材料的杨氏模量和厚度，下表“top”和“bot”分别代表上层和下层二维薄膜结构。上式中右侧第二项可以看做是上下层二维薄膜结构的抗弯刚度的比值。ε_comp代表结构受到外部施加的压缩载荷。a和b是和结构几何尺寸相关的常数，可以通过理论分析和有限元仿真分析得到，在实际设计中，a，b需要通过公式(1)中的有限元方法计算拟合得到，计算方法为通过更换E和T的值，得到一组有限元仿真数据，然后带入公式(1)中，拟合得到a和b。

如图2和图3，分别展示了由下层二维薄膜结构的变形程度的量化公式计算得到的结构变形量和有限元计算值之间的对比。横坐标表示上层二维薄膜结构与下层二维薄膜结构的刚度比，材料的弹性模量越大，厚度越大，则结构刚度越大。反之，则刚度越小。图2展示了圆桌形结构中上层二维薄膜结构和下层二维薄膜结构的刚度比从0.01到27时，下层二维薄膜结构的变形量的变化情况，可以看出下层二维薄膜结构的变形量随着刚度比的增大而增大，且增大趋势与二者刚度比满足指数增长趋势。图3展示了花篮形结构中上下层二维薄膜结构刚度比从0.01到12时，下层二维薄膜结构的变形量随着刚度比的增大而增大，且也满足指数增长趋势。

为了本发明用于微纳尺度多级结构装配的正确性，本发明还公开了利用毫米尺度实验，对结果进行了验证。实验中采用不同厚度的聚酰亚胺(PI)薄膜，其厚度分别为12.5、25、50、75微米。首先利用自动刻字机，将PI薄膜切割成设计的二维形状。然后将下层二维薄膜结构粘接在一层水溶性胶带上，再将上层屈曲结构的粘接部分(正方形区域)粘在下层二维薄膜结构的表面，室温条件下静置20分钟至胶结处完全凝固。最后将结构整体放置于80摄氏度(加热保持水温)的水中浸泡40分钟。结构与水溶性胶带脱离，形成如图4所示的多级装配结构。

如图5所示，图5为有限元分析与毫米尺度实验得到的多级装配结构的对比。本实施例中分别采用上层二维薄膜结构厚度为50微米、下层二维薄膜结构为25微米；上层二维薄膜结构厚度为75微米、下层二维薄膜结构为25微米；上层二维薄膜结构厚度为50微米、下层二维薄膜结构为25微米的三种结构作为对比。第一和第三结构具有相同的厚度和材料，第一个结构中，结构的变形形式主要是弯曲形式，而第三个结构中，结构的变形形式为弯曲+扭转形式。二者的区别在于对二维结构采用了不同的几何设计。第二个结构中，上层二维薄膜结构与下层二维薄膜结构的厚度比明显增大，这会导致刚度比的增大。根据公式(1)，下层二维薄膜结构的变形量也会增大，通过实验观察可以发现，第二种结构中，下层二维薄膜结构的几乎形成了闭合结构，其变形量明显大于第一和第三种结构。通过对比发现，二者在结构形态上基本吻合。图5中的仿真分析和实验结果都证明了本专利中所述方法的正确性和实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：利用有限元软件建立上层二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构的几何模型；且上层二维薄膜结构的端部设计为粘接部分，具备粘接性能；所述的上层以及下层二维薄膜结构包括高分子聚合物薄膜、半导体、金属薄膜以及高分子、金属、半导体复合薄膜结构；

步骤二：利用有限元软件自带的线性摄动分析，求出上层二维薄膜结构的屈曲模态和对应的加载值，并将这些参数作为结构的初始缺陷施加在上层二维薄膜结构上；

步骤三：对结构施加压缩载荷使得上层二维薄膜结构压缩变形，结构发生一次屈曲，形成一级屈曲结构；

步骤四：将步骤三中的一级屈曲结构的粘接部分与下层二维薄膜结构设置为“绑定”状态，即，一级屈曲结构、下层二维薄膜结构二者之间不会发生分离或界面滑移；

步骤五：释放掉施加的压缩载荷，移除硅胶基体，使得结构自由变形，结构发生二次屈曲，上层二维薄膜结构和下层二维薄膜结构同时变形，变形后由上层二维薄膜结构和下层二维薄膜结构直接形成能够准确预计变形量的多级装配结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，所述的变形量是在多级结构装配后，由下层二维薄膜结构变形程度的量化公式得到，公式如下：

其中，H表示下层二维薄膜结构屈曲后的平均面外变形，变形沿竖直方向变形；E和T分别代表上层以及下层二维薄膜结构薄膜材料的杨氏模量和厚度，下表“top”和“bot”分别代表上层和下层二维薄膜结构；式中右侧第二项视为上下层二维薄膜结构的抗弯刚度的比值；ε_comp为压缩载荷；a和b是和结构几何尺寸相关的常数。

3.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，在步骤一中：首先利用结构屈曲诱导的三维装配方法，利用硅胶基体将上层二维薄膜结构由平面状态转变为三维屈曲结构；然后利用背光投影技术，在一级屈曲结构的底部生长一层新的平面结构，即下层二维薄膜结构，通过控制紫外光照时间，控制下层二维薄膜结构的厚度达到设计厚度。

4.根据权利要求3所述的一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，所述的上层二维薄膜结构由平面状态转变为三维屈曲结构具体步骤为：

对硅胶基体施加两个正交方向的均匀预拉伸；再将上层二维薄膜结构的粘接部分与预拉伸后的硅胶基体粘接在一起，之后释放硅胶基体中的预拉伸，结构会随着硅胶基体的收缩，由二维结构转变为三维结构。

5.根据权利要求3所述的一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，所述的下层二维薄膜结构的材料采用光敏环氧树脂SU8。

6.根据权利要求1所述的一种用于微纳尺度多级结构装配的方法，其特征在于，所述的上层二维薄膜结构施加压缩载荷后压缩变形范围在0～300％。

7.根据权利要求1～6任一所述的一种用于微纳尺度多级结构装配方法的验证方法，其特征在于，具体步骤为：

1)利用自动刻字机将不同厚度的高分子材料薄膜、金属，或者高分子/金属复合薄膜割成有限元软件设计的上层二维薄膜结构以及下层二维薄膜结构；

2)然后将下层二维薄膜结构粘接在一层水溶性胶带上，再将上层二维薄膜结构的屈曲结构的粘接部分粘在下层二维薄膜结构的表面，室温条件下静置5-60分钟至胶结处完全凝固；

3)最后将结构整体放置于75-85摄氏度的恒温水浴中，浸泡40分钟，结构与水溶性胶带脱离，形成多级装配结构，将其与利用有限元软件设计的多级装配结构进行对比验证。

8.根据权利要求7所述的一种用于微纳尺度多级结构装配方法的验证方法，其特征在于，所述的高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜。