CN109518185B - 一种具有可动结构的器件的表面防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有可动结构的器件的表面防护方法，包括步骤：将器件置于化学气相沉积室内，在沉积温度‑20～400℃的条件下，将沉积材料均匀地沉积在器件的外围，在器件的外围形成第一保护层；采用原子层沉积技术在第一保护层的外围形成第二保护层；第二保护层为氧化物或金属形成的纳米级涂层，用于防护10个以下的水或其它液体分子组成的小分子团等影响器件的液体分子的侵蚀；第一保护层为聚合物形成的微米级防止液体影响的涂层，用于防护10个以上的水或其它液体分子组成的大分子团等液体分子的侵蚀。本发明的表面防护方法能提高对具有可动结构的器件的防护效果，保证具有可动结构的器件的精度和灵敏度。

Description

一种具有可动结构的器件的表面防护方法

技术领域

本发明涉及工业品和医用品的防止液体影响的技术领域，具体涉及一种具有可动结构的器件的表面防护方法。

背景技术

在制造业领域(包括工业领域和医疗领域等)中，很多器件在一些特殊或恶劣的环境下工作，需要考虑防止液体影响的问题。特别是对于一些具有可动结构器件，如机械量传感器、执行器等，也因具有可动结构，使得这一大类器件对于封装技术提出了更高的要求。例如，在各行各业中大量使用的传感器或执行器，如果其工作环境为水中、具有腐蚀性的气体或液体中、或潮湿环境中，则需要对其做防止液体影响的处理，同时还需考虑外加的防护结构及其工艺方法对器件可动部分、敏感区等关键部分的影响尽量小，尽量不影响这些器件的性能和指标。

现有技术中，对器件表面防护处理的方法有很多种，例如，对于传感器、执行器来说，现有技术中主要是采用封装壳密封的方式对其进行防护。然而，这种封装方式一方面会导致产品的外形尺寸明显增大，另一方面还会影响传感器、执行器等具有可动结构的器件的灵敏度，此外，还存在工艺复杂和成本高的缺点。

现有技术中也有采用涂层法对器件进行防护：在器件的表面设置金属或非金属涂层，如合金涂层、油漆层、塑料层、橡胶层、沥青层、防锈油层、以及其他聚合物涂层等。然而，在长时间接触水或其他影响器件的液体的情况下，这些涂层常常会出现局部甚至全面破损，失去防护能力，从而导致产品的损坏。造成这种情况的一个主要原因是目前的涂层法主要是采用单一的涂层作为器件的防护层，而单一的涂层由于其自身材料性能等限制，防护液体影响的效果有限。如单一的聚对二甲苯等微米级聚合物涂层对液体中的大分子的防护较好，但对液体中的小分子的防护较差；单一的纳米级氧化物等涂层或材料虽然结构致密可以较好地防护液体中的小分子，但对液体中大分子的防护较差，并且由于其杨氏模量和硬度较高，对器件的敏感或运动部分的性能会有较大的影响。

现有技术中，大部分具有可动结构的器件都从器件的材料、原理、结构和制作工艺等内部物理结构等方面考虑如何保证和提高精度，然而，这面临着工艺复杂、制作周期长、研发成本高等问题。

因此，如果能将不同涂层的优点综合起来，研究基于两层或多层涂层的器件防护方法，将会实现一种可靠性更高、尺寸超薄、不影响器件自身性能的新型表面防护方法。并且由于对外界环境的影响进行了有效隔离，这种防护方法还可以提高器件的精度、稳定性等性能指标。这种器件表面防护方法对于工业领域、医疗领域的器件的防护和应用具有重要的意义。

发明内容

基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种器件的表面防护方法，其适用于对多种类型的器件进行防止液体影响的处理，并且防护效果具有尺寸超薄、防护性能好、对器件本体的影响小等优点，并能提高器件的精度、稳定性等指标。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种器件的表面防护方法，其包括步骤：

S20、在所述器件的外围形成第一保护层；

S30、在所述第一保护层的外围形成第二保护层；

其中，所述第一保护层和所述第二保护层中的一者为纳米级涂层，用于防护10个以下的水或其它液体分子组成的小分子团的侵蚀、或者尺寸小于等于所述小分子团的离子或分子的侵蚀；所述第一保护层和所述第二保护层中的另一者为微米级防止液体影响的涂层，用于防护10个以上的水或其它液体分子组成的大分子团的侵蚀、或者尺寸大于等于所述大分子团的离子或分子的侵蚀。

优选地，所述第一保护层为纳米级涂层，所述第二保护层为微米级防止液体影响的涂层。

优选地，采用原子层沉积技术形成所述纳米级涂层；

和/或，采用化学气相沉积技术、或蒸镀技术、或溅射技术、或喷涂技术形成所述微米级防止液体影响的涂层。

优选地，采用氧化物、氮化物、氟化物、金属、碳化物、硫化物、聚合物中的一种或多种形成所述纳米级涂层；

和/或，采用聚合物、氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷中的一种或多种形成所述微米级防止液体影响的涂层。

优选地，形成所述纳米级涂层的操作过程包括：

将所述器件置于原子层沉积室内，在沉积温度-40～350℃的条件下，将沉积材料以单原子膜的形式逐层地沉积在所述器件的外围，优选地，沉积层数为1～9000层。

优选地，形成所述微米级防止液体影响的涂层的操作过程包括：

将器件置于化学气相沉积室内，在沉积温度-20～400℃的条件下，将沉积材料均匀地沉积在所述器件的外围，形成所述微米级防止液体影响的涂层；

或者，将器件置于真空的蒸镀沉积室内，将沉积材料加热至汽化升华，并使沉积材料的气体附着于所述器件的表面上，形成所述微米级防止液体影响的涂层；

或者，将器件置于充有惰性气体的真空溅射系统中，通过高压电场的作用，使得惰性气体电离，产生离子流，所述离子流轰击靶阴极使靶材料溅出，被溅出的靶材料原子或分子沉淀积累在所述器件的表面上，形成所述微米级防止液体影响的涂层；

或者，通过喷枪或雾化器，借助于压力或离心力，将微米级防止液体影响的涂层材料分散成均匀而微细的雾滴，施涂于器件的表面，形成所述微米级防止液体影响的涂层。

优选地，所述纳米级涂层的厚度为0.1～900纳米；和/或，所述微米级防止液体影响的涂层的厚度为0.1～3000微米。

优选地，所述器件包括传感器、执行器、电子元器件、化工设备零部件、或船舶设备零部件。

本发明的表面防护方法不受器件自身结构的限制，处理工艺简单，可广泛用于众多领域中的不同类型的器件的防止液体影响的处理，且处理后的器件能够经受住长时间的防止液体影响、防灰尘等的考验，从而满足在恶劣环境中长期工作的稳定性和可靠性要求，具有尺寸超薄、防护性能好、对器件本体的影响小等优点。此外，本发明的表面防护方法可直接对器件的表面进行处理，具有尺寸超薄、防护性能好、对器件本体的影响小等优点，并能弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度，可广泛用于不同类型的器件防止液体影响的处理。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的器件的表面防护方法的优选实施方式进行描述。图中：

图1为本发明的一种器件的表面防护方法的优选实施方式的流程图；

图2为本发明的一种示例性器件的剖视示意图；

图3为图2的器件在形成第一保护层后的剖视示意图；

图4为图3中A区域的局部放大示意图；

图5为图3的器件在形成第二保护层后的剖视示意图；

图6为图5中B区域的局部放大示意图。

图中标号：10-器件，20-第一保护层，30-第二保护层。

具体实施方式

本发明认为，现有技术的涂层法之所以不能在长时间内保持器件的防止液体影响的效果的有效性，主要原因在于：目前的涂层法主要是采用单一的涂层作为器件的防护层，而单一的涂层由于其自身材料性能等限制，防护液体影响的效果有限。如单一的聚对二甲苯等微米级聚合物涂层对液体中的大分子的防护较好，但对液体中的小分子的防护较差；单一的纳米级氧化物等涂层虽然结构致密可以较好地防护液体中的小分子，但对液体中大分子的防护较差，并且由于其杨氏模量和硬度较高，对器件的敏感或运动部分的性能会有较大的影响。

然而，自然界的水往往并不是以单一水分子的形式存在的，而是若干水分子会通过氢键作用而聚合在一起形成水分子簇，即以俗称的“水分子团”的形式存在，通常，由10个以上水分子组成的水分子团称为大分子团，其尺寸较大，活性也较差，通常无法突破上述涂层的保护，这种大分子团在自然界中大量存在，占自然界的水的绝大多数；而由10个以下水分子组成的水分子团称为小分子团，其体积小，活性大，尽管在自然界中仅少量存在，但由于这些小分子团能够通过涂层的多孔结构，经过长年累月地积累，会慢慢渗透到涂层的内部，当渗入的小分子团达到一定的量时，就会对器件造成损坏，并由此宣告涂层的防护功能失效。其他腐蚀性液体的分子或离子缓慢侵入涂层内部的原理也是大致如此。

此外，现有技术的提高精度的方法都从器件的材料、原理、结构和制作工艺等内部物理结构等方面考虑，然而，这面临着工艺复杂、制作周期长、研发成本高等问题。

特别地，对于一些传感器或一些执行器来说，表面涂层过厚会影响其动作的精确度和灵敏度，从而对其正常工作产生不利影响，因此，增加涂层厚度的方式并不适用。

因此，针对现有技术中对器件的防止液体影响的处理方面的不足，本发明提出了一种能够适用于多种类型的器件的表面防护方法，处理后的器件能够明显提高防止液体影响的能力，并且该方法可以取代现有技术中所采用的封装法、涂层法等处理方法。此外，还可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

如图1-6所示，本发明的一种器件的表面防护方法，其主要包括步骤：

S20、在所述器件10(示例性地示于图2中)的外围形成第一保护层20(如图3-4所示)，其中，所述第一保护层20优选为致密的纳米级涂层。

S30、在所述第一保护层20的外围形成第二保护层30(如图5-6所示)，其中，所述第二保护层30优选为微米级防止液体影响的涂层。

其中，所述致密的纳米级涂层用于防护10个以下的水或其它液体分子组成的小分子团的侵蚀、或者尺寸小于等于所述小分子团的离子或分子的侵蚀；

所述微米级防止液体影响的涂层用于防护10个以上的水或其它液体分子组成的大分子团的侵蚀、或者尺寸大于等于所述大分子团的离子或分子的侵蚀。

通过本发明的表面防护方法处理后，相应的器件的外围将形成有叠置的第一保护层和第二保护层，并且优选地，第一保护层是致密的纳米级涂层，第二保护层是微米级防止液体影响的涂层。其中，致密的纳米级涂层为厚度在纳米级的致密防止液体影响的涂层，其能够阻挡小分子团的渗透；微米级防止液体影响的涂层为厚度在微米级的防止液体影响的涂层，其致密度低于致密的纳米级涂层，其虽然不能长时间阻挡小分子团的渗透，但能够长久有效地阻挡大分子团的渗透。因此，在器件的长期工作过程中，纵使有少量小分子团渗透到作为第一道防线的微米级防止液体影响的涂层的内部，但由于作为第二道防线的致密的纳米级涂层的存在，这些小分子团将难以继续突破到器件的表面。在第一保护层和第二保护层的协同保护下，器件可以在各种恶劣环境中长时间地保持防止液体影响的能力。

因此，采用本发明提出的表面防护方法进行处理后，处理后的器件能够经受住长时间的防止液体影响的考验，从而满足长期工作的稳定性和可靠性要求。同时，由于灰尘等异物的尺寸普遍大于前述小分子团的尺寸，因而处理后的该器件还能有效防止灰尘等的侵入，具有尺寸超薄、防护性能好、对器件本体的影响小等优点。此外，还可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

另一方面，由于本发明提出的表面防护方法仅在器件的表面上设置分别为微米级和纳米级的两层超薄、防止液体影响的涂层，其与采用封装法处理相比，器件的尺寸将明显减小，由此带来空间占用小的优点；而与采用现有技术的涂层法处理相比，在防止液体影响的能力大大提升的同时，涂层厚度却明显减小。

特别地，对于具有可动结构传感器或执行器而言，其灵敏度取决于其可动结构动作时的灵敏程度，显然，可动结构外部的封装或涂层不应阻碍可动结构自身的运动。本发明的表面防护方法中，致密的纳米级涂层和微米级防止液体影响的涂层可以直接涂覆在相应的可动结构的表面，由于这两个防止液体影响的涂层的厚度很薄，其对可动结构的动作的阻碍很小，因而只会对相应的器件的灵敏度产生很小的影响。

另外，由于本发明的表面防护方法仅在器件的表面上设置两层超薄防止液体影响的涂层，无论器件自身的结构复杂与否，均可直接对器件的表面进行处理，不受器件自身结构的限制，处理工艺简单。

替代地，第一保护层20也可以为微米级防止液体影响的涂层，对应地，第二保护层30可以为致密的纳米级涂层。也即，步骤S20中，先在器件的表面上形成微米级防止液体影响的涂层，步骤S30中，再在器件的表面上形成致密的纳米级涂层。

这样，可以利用致密的纳米级涂层在外围充当第一道防线，以同时阻挡小分子团和大分子团的渗透，利用微米级防止液体影响的涂层在内部充当第二道防线，以便在第一道防线局部失效的情况下阻挡大分子团的渗透，同样能够使器件经受住长时间的防止液体影响、防灰尘等考验，从而满足长期工作的稳定性和可靠性要求。

特别需要说明的是，在本替代实施方式中，致密的纳米级涂层能够渗透到微米级防止液体影响的涂层的微孔中，从而形成一种立体的第二保护层，此时，即使作为第一道防线的致密的纳米级涂层表面上在局部发生失效，但小分子团实际上仍难以渗透到微米级防止液体影响的涂层的内部，器件的长期工作稳定性和可靠性能够得到保证。

而微米级防止液体影响的涂层和致密的纳米级涂层的次序改变后，在涂层的空间占用方面、对器件的灵敏度影响方面、以及处理工艺简单性等方面的优势也丝毫不受影响。

作为该表面防护方法的一种优选实施方式，如图1所示，在步骤S20之前还可以包括步骤：

S10、表面清洗，也即对器件10进行清洗，以便于在器件10的表面上形成所述第一保护层20。例如，可以先将器件10浸入丙酮溶液中超声清洗数分钟至数十分钟(如20分钟)，之后再将器件10浸入异丙醇溶液中超声清洗数分钟至数十分钟(如20分钟)；或者也可以直接用等离子清洗等方式进行清洗。

优选地，在形成致密的纳米级涂层的步骤(优选为步骤S20)中，可以采用原子层沉积技术形成所述致密的纳米级涂层(即第一保护层20)，但不局限于采用原子层沉积技术。也即，本发明中，器件10表面上形成的所述致密的纳米级涂层可以为原子层沉积层，但不限于原子层沉积层。

原子层沉积技术是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层地沉积在基底表面的方法。在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。通过精确控制沉积涂层的厚度，便可以得到防止液体影响的性能符合要求的保护涂层。原子层沉积层的致密度能够很好地保证其对小分子团的阻挡。

优选地，当采用原子层沉积技术形成所述第一保护层20时，步骤S20的操作过程可以包括：将所述器件10置于原子层沉积室内，在沉积温度-40～350℃的条件下，将沉积材料以单原子膜的形式逐层地沉积在所述器件10的外围，沉积层数优选为10～9000层。

优选地，本发明的方法中，原子层沉积层(例如，在步骤S20中形成的所述第一保护层20、或者在步骤S30中形成的第二保护层30)的厚度可以在0.1～900纳米之间，更优选为0.5～200纳米。

优选地，本发明的方法中，可以采用氧化物、氮化物、氟化物、金属、碳化物、硫化物中的一种或多种形成原子层沉积层(例如，在步骤S20中形成的所述第一保护层20、或者在步骤S30中形成的第二保护层30)。也即，形成所述致密的纳米级涂层(优选为原子层沉积层)所用的材料可以是任何防止液体影响的材料，如氧化物，氮化物，氟化物，金属，碳化物，硫化物或它们的组合等。

在一个示例性的实施例中，步骤S20的具体操作过程包括：采用氧化铝作为沉积材料，将器件10(如压力传感器)放置在原子层沉积室内，将氧化铝材料以单原子膜的形式一层一层地镀在压力传感器的表面，形成第一保护层20，即致密的纳米级涂层，其中，沉积时间约10小时，沉积4000个循环，沉积厚度为400纳米。

优选地，在形成所述微米级防止液体影响的涂层的步骤(例如为步骤S30、或者步骤S20)中，可以采用化学气相沉积技术、或蒸镀技术、或溅射技术、或喷涂技术形成所述微米级防止液体影响的涂层(对应地为第二保护层30、或者第一保护层20)，但不局限于采用前述技术。也即，本发明中，在第一保护层20外围或者直接在器件10外围形成的所述微米级防止液体影响的涂层可以为化学气相沉积层，或蒸镀沉积层，或溅射沉积层，或喷涂沉积层，但不限于所列举的这几种沉积层。采用前述技术形成的微米级防止液体影响的涂层能够很好地阻挡大分子团的侵蚀，同时防止灰尘等其他异物接触第一保护层20或器件10表面，从而为第一保护层20或器件10提供微米级安全屏障。

优选地，本发明的方法中，可以采用聚合物、氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷中的一种或多种形成所述微米级防止液体影响的涂层。也即，形成所述微米级防止液体影响的涂层所用的材料可以是任何防止液体影响的材料，如聚合物，氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷或它们的组合等。

优选地，还可采用不同的材料和/或不同的工艺形成所述微米级防止液体影响的涂层，也即，微米级防止液体影响的包覆层自身在厚度方向上可以具有不同的材料和/或性能。例如，可以采用同一种材料、不同的工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，还可以采用不同材料、分别用不同的工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，或者还可以用不同的材料、同一种工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，从而充分利用不同材料和/或不同工艺方法的优势。

例如，在一个优选实施例中，可以先采用碳化硅沉积一层例如厚度为2微米的防止液体影响的涂层，再采用聚对二甲苯沉积一层例如厚度为2微米的防止液体影响的涂层，这两个防止液体影响的涂层共同构成本发明中所述的微米级防止液体影响的涂层。如此一来，该实施例能提高防止液体影响的涂层的致密性和稳定性，又能利用聚对二甲苯的疏水性进一步提高涂层的防止液体影响的能力。此外，还可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

优选地，所述微米级防止液体影响的涂层(例如，步骤S30中形成的所述第二保护层40，或者在步骤S20中形成的所述第一保护层20)的厚度可以在0.1～200微米之间。

以下以第二保护层30为微米级防止液体影响的涂层为例，说明该第二保护层30的形成过程的具体实施例。

例如，当采用化学气相沉积技术形成第二保护层30时，步骤S30的操作过程包括：将形成有第一保护层20的器件10置于化学气相沉积室内，在沉积温度-10～400℃的条件下，将沉积材料均匀地沉积在所述器件10的外围。

在一个示例性的实施例中，步骤40中采用化学气相沉积技术形成第二保护层30的具体操作过程包括：采用碳化硅作为沉积材料，将器件10(如压力传感器)放置在沉积室内，在室温下将碳化硅材料均匀地镀在压力传感器表面，沉积时间约4小时，沉积厚度为4微米。

替代地，当采用蒸镀技术形成第二保护层30时，步骤S30的操作过程包括：将形成有第一保护层20的器件10置于真空的蒸镀沉积室内，将沉积材料加热至汽化升华，并使沉积材料的气体附着于所述器件10的表面上，形成一层薄膜，即所述微米级防止液体影响的涂层。

替代地，当采用溅射技术形成第二保护层30时，步骤S30的操作过程包括：将形成有第一保护层20的器件10置于充有惰性气体(如氩气)的真空溅射系统中，通过高压电场的作用，使得氩气电离，产生氩离子流，所述氩离子流轰击靶阴极使靶材料溅出，被溅出的靶材料原子或分子沉淀积累在器件10表面上而形成一层薄膜，即所述微米级防止液体影响的涂层。

替代地，当采用喷涂技术形成第二保护层30时，步骤S30的操作过程包括：将形成有第一保护层20的器件10，通过喷枪或雾化器，借助于压力或离心力，将微米级防止液体影响的涂层材料分散成均匀而微细的雾滴，施涂于形成有第一保护层20的器件10表面，形成所述微米级防止液体影响的涂层。

而第一保护层20为微米级防止液体影响的涂层的情况与此类似，不再赘述。

需要说明的是，本发明的表面防护方法可以适用于各种器件，尤其是传感器、执行器、电子元器件、化工设备零部件、或船舶设备零部件，等等，使得这些器件能够应对各种腐蚀性环境的工作考验。

例如，采用本发明的表面防护方法对传感器、执行器、电子元器件进行表面防护处理，可以免除传统的封装结构，在减小体积、减小成本的同时，却能使这些器件具有更高级别的防止液体影响、防灰尘入侵的能力。

又例如，采用本发明的表面防护方法对化工设备中的零部件、船舶设备中的零部件进行表面防护处理，可以在不增加涂层厚度的前提下，提高相应的零部件的防腐蚀能力。

综上，本发明的表面防护方法可以直接对器件的表面进行处理，处理后即可具备长期稳定的防止液体影响、防灰尘侵入的能力，大大增强器件在水中、潮湿环境或其他影响器件的环境中的耐用性和使用寿命，还具有尺寸超薄、防护性能好、对器件本体的影响小等优点。此外，还可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加(比如由纳米级涂层和微米级涂层组合的两层以上的复合结构及其表面防护方法)。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种具有可动结构的器件的表面防护方法，所述器件为传感器或执行器，其特征在于，包括步骤：

S20、将所述器件置于化学气相沉积室内，在沉积温度-20～400℃的条件下，将沉积材料均匀地沉积在所述器件的外围，在所述器件的外围形成第一保护层；

S30、采用原子层沉积技术在所述第一保护层的外围形成第二保护层；

其中，所述第二保护层为氧化物或金属形成的纳米级涂层，用于防护10个以下的水或其它液体分子组成的小分子团的侵蚀、或者尺寸小于等于所述小分子团的离子或分子的侵蚀；所述第一保护层为聚合物形成的微米级防止液体影响的涂层，用于防护10个以上的水或其它液体分子组成的大分子团的侵蚀、或者尺寸大于等于所述大分子团的离子或分子的侵蚀；

其中，作为第二保护层的所述纳米级涂层渗透到作为第一保护层的微米级防止液体影响的涂层的微孔中，从而形成一种立体的第二保护层。

2.根据权利要求1所述的表面防护方法，其特征在于，

采用氧化铝形成所述纳米级涂层；

和/或，采用聚对二甲苯形成所述微米级防止液体影响的涂层。

3.根据权利要求1所述的表面防护方法，其特征在于，形成所述纳米级涂层的操作过程包括：

将所述器件置于原子层沉积室内，在沉积温度-40～350℃的条件下，将沉积材料以单原子膜的形式逐层地沉积在所述器件的外围，沉积层数为1～9000层。

4.根据权利要求1所述的表面防护方法，其特征在于，所述纳米级涂层的厚度为0.1～900纳米；和/或，所述微米级防止液体影响的涂层的厚度为0.1～3000微米。

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