CN110316691B - 微型气动/液压驱动器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器及加工方法，其中，驱动器包括基底和薄膜，所述薄膜通过沉积方式直接形成在所述基底的表面上且包括贴合部和非贴合部，所述贴合部与所述基底的表面粘合，且所述非贴合部与所述基底的表面形成腔体，所述非贴合部包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，所述腔体在流体介质的压力作用下，使得所述非贴合部膨胀并根据所述褶皱结构伸展输出所需变形或位移。本发明的驱动器位移较大、许用驱动气压较高、变形形貌可控，同时驱动器设计与微加工工艺有良好的兼容性，可以实现低成本、高一致性、小尺寸、高密度的微驱动器加工，且便于与同种器件或其他微纳器件及系统进行进一步集成。

Description

微型气动/液压驱动器及其加工方法

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)、微型医疗器械、微型机器人、微型光学器件、神经假体等技术领域，尤其涉及一种微型气动/液压驱动器及其加工方法。

背景技术

在MEMS系统中使用的微驱动器受限于驱动原理(压电、静电、电热、电致伸缩、相变等)、材料(硅、压电陶瓷、记忆合金等)及加工工艺(光刻、沉积及刻蚀等，仅能加工厚度有限的平面结构)等限制，通常具有较小的位移，较脆弱的结构，同时要求对驱动器施加高电压或高温，因此，在需要较大位移、或对电、热等变化较为敏感的领域应用受限。

微型气动/液压驱动器具有体积小，功率密度高，设计自由度高，无需施加电压及不发热等优点，在MEMS等微小系统领域拥有广泛的应用潜力，尤其是在需要较大位移变形，且对电压及温度敏感的生物医疗应用中具有突出价值。

完全由刚性材料制作的微型气动/液压驱动器加工困难且布置自由度较低，相比而言，柔性材料制作的微型气动/液压驱动器具有更高的加工兼容性，更高的设计自由度及良好的可靠性。现有的微型柔性气动/液压驱动器多使用超弹性材料(PDMS、硅橡胶及热塑性弹性体等具有类似橡胶机械性能的材料)作为驱动器的主要结构材料。用超弹性材料制作的微型气动/液压驱动器具有位移大、结构简单可靠、柔软耐用、加工设计简单的优点，但其较软的材料性质限制了这类气动器件的操作气压，导致其力输出较低。其另一缺点在于过于柔软的材料特性导致器件膨胀后通常近似球形，驱动器产生位移的区域及位移方向难以控制。此外这类材料与微加工工艺的兼容性较差，难以使用常规微加工工艺(光刻、刻蚀、沉积等)在对其进行精细加工，也难以在其上进一步集成其他微器件及系统。

由金属、高分子树脂等非超弹性材料制成的薄膜具有较高的刚度及良好的微加工工艺兼容性，可以提高微气动器件的工作气压，控制器件变形形貌并改善加工工艺兼容性。但这类材料由于其高的弹性模量及较小的延展率，所加工成的薄膜难以直接产生较大的伸展变形，因此薄膜需要具有一定的三维折叠结构，通过将折叠结构展开的方式获得较大的伸展变形。(与本发明相关)常用的折叠结构包括风箱结构及褶皱结构。其中风箱结构可以通过在高度方向(位移方向)进行多层堆叠实现较大的位移，但其较高的高度也导致加工困难，无法与常规微加工工艺兼容。相比而言，褶皱结构近似于平面结构，更易于使用微加工工艺实现。通过增加褶皱的深宽比及褶皱层数，褶皱结构也可以获得较大的变形量。

在已有文献及专利及文献存在以下几种褶皱薄膜微结构加工方法：

第一种方案使用SU-8负性光刻胶及硅等不可溶解的材料，使用光刻、深硅刻蚀(DRIE)及3D打印等方法，加工成不可牺牲的褶皱模子，随后需要将不可牺牲模子使用铸造倒模工艺转换为可溶性材料如PEG等形成的可牺牲模子，在可牺牲模子上完成褶皱薄膜制备后，使用溶剂移除可牺牲模子。其中倒模过程操作性较差，精度较低，难以实现褶皱周期较小，褶皱深宽比较高的可牺牲模，进而限制了加工小尺寸大位移的褶皱薄膜驱动器等能力。此外铸造倒模方式与微加工工艺兼容性较差，限制了与其他微加工工艺制备的器件或系统进行集成的能力。

第二种方案在不可牺牲模子上完成褶皱薄膜制备，随后将褶皱薄膜从不可牺牲模具上剥离，并键合/粘贴至另一基底上以形成器件。深宽比较大的褶皱结构难以从不可牺牲模具上直接剥离，限制了该方法加工的褶皱结构的深宽比，此外剥离过程容易对薄膜造成损伤。另一方面，将薄膜转移至另一基底并进行粘贴或键合工艺增加了加工过程的复杂度及加工误差，同时对薄膜及基底材料的种类以及平整度要求较高，限制该方法的了应用范围，也限制了与其他微加工工艺制备的器件或系统进行集成的能力。

第三种方案与第二种方案相似，在不可牺牲的硅模子上完成褶皱薄膜沉积，区别在于不将褶皱薄膜从硅模子上剥离，而是利用深硅刻蚀(DRIE)从硅模子的反面进行刻蚀，将褶皱薄膜下方的硅材料完全移除。该方法加工时间长且昂贵，对刻蚀工艺要求较高；此外由于褶皱薄膜下方不能存在器件，同样限制了与基底上的器件或系统进行集成的能力。第四种方案在不可溶解的基底材料如硅片上，涂覆一层可溶解的材料，如光刻胶，并使用光刻等工艺，在可溶材料上加工出具有褶皱结构的可牺牲模子，随后在可牺牲模子上沉积薄膜材料形成褶皱薄膜。然而该方案加工出的褶皱薄膜在移除可牺牲模子后，其褶皱结构依然与硅片粘附，无法直接形成可用的器件。因此在该方案中，褶皱薄膜依然需要从加工所用的硅基底上进行完全剥离，随后转移并固定至其他基底或框架上组成可用的驱动器。综上所述，现有微型气动/液压驱动器多基于超弹性材料，具有变形形貌不可控、与微加工工艺及材料兼容性差以及力输出较小等缺点，而尚无使用非超弹性材料形成的褶皱薄膜结构实现的微气动/液压驱动器；另一方面，现有微褶皱薄膜加工艺繁琐昂贵，加工精度较低，褶皱结构深宽比受限且无法良好兼容微加工工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，位移较大、许用驱动气压较高、变形形貌可控，同时驱动器设计与微加工工艺有良好的兼容性，可以实现低成本、高一致性、小尺寸、高密度的微驱动器加工，且便于与同种器件或其他微纳器件及系统进行进一步集成。

根据本发明第一方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，包括：

基底；

薄膜，所述薄膜通过沉积方式直接形成在所述基底的表面上，且包括贴合部和非贴合部，所述贴合部与所述基底的表面粘合，且所述非贴合部与所述基底的表面形成腔体，所述非贴合部包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，所述腔体在流体介质的压力作用下，使得所述非贴合部膨胀并根据所述褶皱结构伸展输出所需变形或位移。

根据本发明第一发明实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，驱动器位移较大、许用驱动气压较高、变形形貌可控，同时驱动器设计与微加工工艺有良好的兼容性，可以实现低成本、高一致性、小尺寸、高密度的微驱动器加工，且便于与同种器件或其他微纳器件及系统进行进一步集成。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述薄膜的所述贴合部与所述基底之间设有粘附层。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述基底包含多层结构，所述基底包含多层结构，所述多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述基底的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述基底为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述非贴合部还包括与褶皱结构相连的平面结构。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述非贴合部的膨胀变形过程中和过程后的变形程度、变形方向和三维形貌根据所述褶皱结构的褶皱图案和褶皱深度来确定。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述非贴合部的膨胀变形量通过控制所述流体介质的参数来控制。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述褶皱结构伸展后产生塑性变形。因此在撤去对褶皱薄膜所施加的压力后，薄膜可以维持一定的变形而不会完全恢复原状。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述褶皱结构伸展后不产生塑性变形。因此在撤去对褶皱薄膜所施加的压力后，薄膜完全恢复被施加压力前的原状。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述薄膜包含多层结构，所述薄膜的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述薄膜的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄膜的材料为非超弹性材料。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述基底或所述薄膜的所述非贴合部设有开孔及切口。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述流体介质为气体、液体、凝胶状半流体或膏状半流体。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述驱动器外接为所述流体介质提供压力的压力源；或者所述驱动器上集成微型压力源；或者所述驱动器的部分所述腔体具有压力源功能。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述驱动器以单个形式存在；或由多个相同或不同的所述驱动器通过流体介质管路串联或并列以阵列的形式存在。

本发明第二方面还提供了一种具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法。

根据本发明第二方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法，包括如下步骤：

S1：准备基底；

S2：在所述基底的表面上涂覆可移除材料以加工形成具有所需凹凸图案的模子；

S3：在所述基底的表面和所述模子的表面上通过涂覆/沉积方式制备薄膜，其中，所述薄膜沉积于所述模子表面的部分为非贴合部，所述非贴合部通过复现所述模子的表面形貌来获得所需的褶皱结构，所述薄膜沉积于所述基底的表面上的部分位贴合部，所述贴合部直接与所述基底的表面粘合；

S4：对所述基底和所述薄膜进行加工，获得所需的驱动器轮廓、开孔及切口；

S5：去除所述模子。

根据本发明第二方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法，可以使用标准MEMS微加工工艺，如光刻、薄膜沉积、plasma处理及干法刻蚀等，及可移除模子完成具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工，避免在加工中引入非微加工工艺(铸造倒模)以及较为繁琐昂贵的加工工艺(薄膜剥离，薄膜键合等)。由于不需要进行薄膜的剥离、转移及再固定，因此，可以显著简化加工过程、提高加工精度、提升褶皱结构深宽比及褶皱图形分辨率。此外该加工方法可以提高对加工过程对基底的宽容度，可以在非平整及较为脆弱的基底表面加工具有褶皱结构的微型气动/液压驱动器，因此具备在已加工完成或未加工完成的结构件、器件及系统上堆叠加工具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的能力，可以有效扩展应用场景并提高最终系统或器件的集成度及功能复杂度。

根据本发明第二方面的一个实施例，所述步骤S1中，包括在所述基底的表面上设置用于增强粘附所述贴合部的粘附层的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S1中，准备的所述基底具有多层结构，所述基底的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S1中，包括通过使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得多层结构的所述基底的步骤。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S1中，包括对所述基底的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S1中，所述基底为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上。

根据本发明第二方面的一些实施例，在步骤S5之后，还包括将结构件、器件或系统连同基底的部分层从基底其余层上剥离下来的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S2中，所述模子具有多层结构。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S2中，包括通过使用多种可移除材料及图形化方法获得多层结构的所述模子的步骤，其中，所述模子的多层结构中的外层用于形成所述薄膜的所述非贴合部，所述模子的多层结构中的底层为防粘连层，用于防止所述非贴合部与所述基底的表面发生粘连。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S2中，包括对所述模子的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S2中，所述模子的材料为可使用针对性溶剂或溶液溶解的材料；或所述模子为可溶于水或有机溶剂的聚合物；或所述模子的材料为光敏性材料。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S3中，所述薄膜具有多层结构，所述薄膜的多层结构至少包括一个聚合物层和一个金属层。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S3中，包括使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得具有多层结构的所述薄膜的步骤。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在所述步骤S3中，包括使用多种图形化方法使所述薄膜各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在所述步骤S5中，包括使用针对性溶剂或溶液对可移除材料的所述模子进行物理性溶解的步骤；或使用针对性溶剂或溶液对与可移除材料发生化学反应而使所述模子溶解的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S5之后，包括对所述驱动器退火处理以提高所述薄膜的所述贴合部与所述基底表面之间的粘附力的步骤。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1(a)为本发明第一方面一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的结构示意图。

图1(b)为图1(a)的轴向剖面示意图。

图1(c)为图1的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器在膨胀变形状态下的示意图。

图2(a)为本发明第一方面另一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器阵列的俯视方向的显微镜照片，示意出褶皱结构为轴对称的同心圆褶皱图案。

图2(b)为本发明第一方面另一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器阵列在膨胀变形状态下的侧视方向的显微镜照片。

图3(a)为本发明第一方面又一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器阵列的俯视方向的显微镜照片，示意出褶皱结构为非轴对称的褶皱图案。

图3(b)为本发明第一方面又一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器阵列在膨胀变形状态下的侧视方向的显微镜照片。

图4为本发明第一方面再一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器由腔体内丙酮-光刻胶溶液所产生的渗透压驱动发生膨胀变形的显微照片。

图5是本发明第二方面一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工流程示意图。

图6是本发明第二方面又一个实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工流程示意图。

附图标记：

基底1 薄膜2 贴合部21 非贴合部22 腔体3

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面对实施例中出现的一些术语作下解释，术语“光敏性材料”是指暴露于光辐射后，所述材料暴露于光辐射后，材料物性发生改变(如由固体转变为液体，或由液体转变为固体)，或暴露于光辐射后在针对性显影液中溶解度发生改变(溶解度增大或减小，溶解速度加快或减慢)。

术语“可移除材料”是指可使用针对性溶剂或溶液溶解的材料，溶解过程可包括：(a)使用针对性溶剂或溶液对可移除材料进行物理性溶解，在一些实施例子中，溶剂或溶液为丙酮、异丙醇、乙醇、甲胺、甲苯、四氢呋喃，水，超临界二氧化碳、以及多种溶剂的混合物(b)使用针对性溶剂或溶液对与可移除材料发生化学反应进而使模子溶解，在一些实施例子中，所用溶剂或溶液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、氢氧化钾水溶液、TMAH水溶液、光刻胶显影液。

术语“欠曝光”及“充分曝光”是指：曝光过程中，光敏材料由曝光侧逐渐开始发生变性，变性区域逐渐扩展到与曝光侧相对的一侧；在一定的曝光剂量下，变性区域完全扩展到曝光对侧，该曝光情况即为充分曝光；变形区域未扩展到曝光对侧，即曝光对侧残留有一层未曝光的光敏材料，该曝光情况即为欠曝。

下面结合图1(a)至图4来描述根据本发明第一方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器1000。

如图1(a)至图1(c)所示，根据本发明第一方面的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器1000，包括基底1和薄膜2。其中，薄膜2通过沉积方式直接形成在基底1的表面上，且包括贴合部21和非贴合部22，贴合部21与基底1的表面粘合，且非贴合部22与基底1的表面形成腔体3，非贴合部22包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，腔体3在流体介质的压力作用下，使得非贴合部22膨胀并根据褶皱结构伸展输出所需变形或位移。

具体而言，薄膜2通过沉积方式直接形成在基底1的表面上，且包括贴合部21和非贴合部22，贴合部21与基底1的表面粘合，且非贴合部22与基底1的表面形成腔体3。可以理解的是，薄膜2是在基底1的表面上和借助于基底1表面上的可移除的模子的表面上直接沉积成型，其中，薄膜2在基底1的表面上沉积的部分与基底1发生粘连，该部分为薄膜2的贴合部21；薄膜2在模子的表面上沉积的部分为非贴合部22，在模子溶解移除后，非贴合部22与基底1之间形成腔体3。由此，无需先用模子制备薄膜，再将薄膜从模子上剥离下来，再将薄膜粘贴到新的基底上。薄膜2通过沉积方式直接形成在基底1的表面上，与微加工艺具有良好的兼容性，可以显著简化加工过程、提高加工精度。通过设置腔体3，可以容纳流体介质，以便通过流体介质的压力使腔体3膨胀变形。

非贴合部22包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，非贴合部22上设有褶皱结构，由于褶皱结构的伸展性，腔体3可以实现较大的膨胀变形。腔体3在流体介质的压力作用下，使得非贴合部22膨胀并根据褶皱结构伸展输出所需变形或位移。可以理解的是，褶皱结构的褶皱图形可为同心圆、椭圆或任意图形，通过设计褶皱图形及褶皱深度，可以对薄膜2的伸展率及伸展方向进行设计，进而使驱动器1000膨胀过程中和膨胀后的变形程度、变形方向及三维形貌符合应用中的需要。

根据本发明第一发明实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器1000，驱动器1000位移较大、许用驱动气压较高、变形形貌可控，同时驱动器1000设计与微加工工艺有良好的兼容性，可以实现低成本、高一致性、小尺寸、高密度的微驱动器1000加工，且便于与同种器件或其他微纳器件及系统进行进一步集成。

需要说明的是，本发明第一方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器1000，可以达到薄膜2膜厚为0.1-50um，褶皱结构的褶皱周期为1-500um，褶皱结构的褶皱深度为0.1-500um，腔体3的最大径向尺寸为10-20000um。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄膜2的贴合部21与基底1之间设有粘附层。通过设置粘附层，可以增强薄膜2的贴合部21与基底1表面之间的粘附力，使得薄膜2更加牢固地粘贴在基底1上，使得腔体3具有一定的耐压能力。

可选的，粘附层可以为金属钛层或者等离子体引发聚合物等，可以增强薄膜2的贴合部21与基底1表面之间的粘附力，使得薄膜2更加牢固地粘贴在基底1上，有利于提高腔体3的耐压能力。

根据本发明第一方面的一个实施例，基底1包含多层结构，基底1的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。由此，可以方便地实现引线、电极、电容极板、电感线圈等功能。

可选地，基底1的聚合物层的材料可以为聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(PI，Kapton)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(Sulfones)、聚酰胺(PA)、液晶高分子(LCP)、聚甲醛、聚氯乙烯(PVC)，聚氨酯(PU、TPU)、热塑性弹性体(TPE)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚乳酸、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(PFA)、乙烯四氟乙烯的共聚物(ETFE)、氟46、perfluoro(1-butenyl vinyl ether)polymer(CYTOP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙烯醇(PVA)、细菌纤维-聚乙烯醇(BC-PVA)、明胶、海藻酸钠、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、胶原、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA/HEMA)、聚丙烯酰胺(PAAM/PAM)、聚氨酯类(PU)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酸钠(PAAs/PAA-Na)、聚丙烯酸-丙烯酸钠、聚氧化乙烯(PEO)、聚N异丙基丙烯酰胺(NIPAAm/PNIPA)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯-聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA-co-PEGDMA)中的一种或多种。

可选的，基底1的金属层的材料可以为铂、铱、钯、金、银、铜、铁、钛、铬、镍、镁、铝、锌、铟等单质及其合金中的一种或多种。

可选的，基底1的非金属层的材料可为硅、玻璃、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氮化钛、压电陶瓷(PZT)、氧化铟(ITO)、氧化钌、氧化锌、铟镓锌氧化物(IGZO)及其他无机化合物中的一种或多种。

根据本发明进一步的实施例，基底1的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同，可以根据实际功能需要进行设计。由于基底1的各层结构可以分别进行图形化并具有非均匀的厚度，因此被分隔的两层可以通过中间层的通孔发生连接，某一层也可被另外两层完全包覆，或某一层可以通过另一层的某处开窗实现暴露。

根据本发明第一方面的一个实施例，基底1为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上。也就是说，在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上有一部分结构可以充当基底1，薄膜2通过沉积方式直接形成在基底1的表面上，便于实现与其他结构或器件集成，形成更复杂的系统。

如图1(a)所示，根据本发明第一方面的一个实施例，非贴合部22还包括与褶皱结构相连的平面结构。也就是说，该平面结构为非褶皱结构部分，可以根据驱动器1000功能需要进行设计。

根据本发明第一方面的一个实施例，非贴合部22的膨胀变形过程中和过程后的变形程度、变形方向和三维形貌根据褶皱结构的褶皱图形和褶皱深度来确定。可以理解的是，通过设计褶皱图形和褶皱深度，可以对薄膜2的非贴合部22的伸展率及伸展方向进行设计，进而使驱动器1000膨胀过程中和膨胀后的变形程度、变形方向及三维形貌符合应用中的需要。

根据本发明第一方面的一个实施例，非贴合部22的膨胀变形量通过控制流体介质的参数来控制。可以理解的是，可以通过控制流体介质的压力、流量、流速等来控制非贴合部22的膨胀变形量，也就是说，驱动器1000的变形量是可控的。

根据本发明第一方面的一个实施例，褶皱结构伸展后产生塑性变形，因此，在撤去对薄膜2的流体介质压力后，薄膜2可以维持一定的变形而不会完全恢复原状。

根据本发明第一方面的一个实施例，褶皱结构伸展后不产生塑性变形。因此，在撤去对薄膜2的流体介质压力后，薄膜2可以完全恢复被施加压力前的原状。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄膜2包含多层结构，薄膜2的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。由此，可以方便地实现引线、电极、电容极板、电感线圈等功能。

可选地，薄膜2的聚合物层的材料可以为聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(PI，Kapton)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(Sulfones)、聚酰胺(PA)、液晶高分子(LCP)、聚甲醛、聚氯乙烯(PVC)，聚氨酯(PU、TPU)、热塑性弹性体(TPE)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚乳酸、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(PFA)、乙烯四氟乙烯的共聚物(ETFE)、氟46、perfluoro(1-butenyl vinyl ether)polymer(CYTOP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙烯醇(PVA)、细菌纤维-聚乙烯醇(BC-PVA)、明胶、海藻酸钠、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、胶原、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA/HEMA)、聚丙烯酰胺(PAAM/PAM)、聚氨酯类(PU)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酸钠(PAAs/PAA-Na)、聚丙烯酸-丙烯酸钠、聚氧化乙烯(PEO)、聚N异丙基丙烯酰胺(NIPAAm/PNIPA)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯-聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA-co-PEGDMA)中的一种或多种。

可选的，薄膜2的金属层的材料可以为铂、铱、钯、金、银、铜、铁、钛、铬、镍、镁、铝、锌、铟等单质及其合金中的一种或多种。

可选的，薄膜2的非金属层的材料可为硅、玻璃、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氮化钛、压电陶瓷(PZT)、氧化铟(ITO)、氧化钌、氧化锌、铟镓锌氧化物(IGZO)及其他无机化合物中的一种或多种。

根据本发明第一方面进一步的实施例，薄膜2的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同。也就是说，组成薄膜2的不同层具有不同的图案、材料和厚度。由于薄膜2的各层结构可以分别进行图形化并具有非均匀的厚度，因此被分隔的两层可以通过中间层的通孔发生连接，某一层也可被另外两层完全包覆，或某一层可以通过另一层的某处开窗实现暴露。

根据本发明第一方面的一个实施例，薄膜2的材料为非超弹性材料。由此，可以使薄膜2具有较高的刚度及良好的微加工工艺兼容性，可以提高微气动器件的工作气压，控制器件变形形貌并改善加工工艺兼容性。

根据本发明第一方面的一个实施例，基底1或薄膜2的非贴合部22设有开孔及切口。一方面用于暴露基底1或薄膜2的特定层，以及用于驱动器1000加工制造过程中移除薄膜2下的模子，另一方面，用于连接外部压力源，方便流体介质进出腔体3。

根据本发明第一方面的一个实施例，流体介质为气体、液体、凝胶状半流体或膏状半流体。可以理解的是，使用气体、液体、凝胶状半流体或膏状半流体均可以传递压力以作用于腔体3，使腔体3膨胀。

可选的，流体介质可以为空气、氮气、氧气、二氧化碳、稀有气体、水、水溶液、油脂、矿物油、硅油、氟化油、有机溶剂、液态金属、生物体液/组织液、药物注射液、凝胶、硅胶等。

根据本发明第一方面的一个实施例，驱动器1000外接为流体介质提供压力的压力源；可以理解的是，压力源不包含在驱动器1000的基底1上，由驱动器1000连接外部压力源，如通过导管将驱动器1000与气压源或液压源连接。或者驱动器1000上集成微型压力源，也就是说，微型压力源与驱动器1000集成在同一基底1上，或微型压力源集成于驱动器1000的基底1内，或集成于驱动器1000的薄膜2表面上。微型压力源可以为微加工工艺制造的微型电解压力源、渗透压压力源、热膨胀/蒸发/升华压力源、化学分解压力源、压电微泵、电致伸缩微泵、电渗流微泵、气动微泵、液压微泵等。或者驱动器1000的部分腔体3具有压力源功能，如包含有可分解或可气化液体的驱动器1000部分腔体3、包含电解液及电解电极的驱动器1000部分腔体3。

根据本发明第一方面的一个实施例，驱动器1000以单个形式存在；或由多个相同或不同的驱动器1000通过流体介质管路串联或并列以阵列的形式存在(如图4所示)。可以理解的是，根据驱动器1000的应用场景灵活选择驱动器1000以单个形式存在还是以所需的阵列形式存在。

下面将描述根据本发明一个具体实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器1000。

图1是根据本发明一个实施例的具有褶皱薄膜的微气动/液压驱动器1000的结构示意图，其中：图1(a)为驱动器1000的三维结构示意图，图中隐藏了腔体3的部分区域以便于展示其内部结构；图1(b)为驱动器1000轴向剖面结构示意图，其中尺寸符号定义为：D为褶皱周期，T为褶皱薄膜2厚度，H₁为褶皱深度，H₂为褶皱薄膜2与基底1间间隙高度，R为腔体3中央无褶皱平台的半径，N为褶皱层数；图1(c)为驱动器1000膨胀变形后的示意图。

如图1(a)及图1(b)所示，本发明第一方面一个实施例的具有褶皱薄膜的微气动/液压驱动器1000，包括基底1和薄膜2，薄膜2通过沉积方式直接形成在基底1的表面上，且包括贴合部21和非贴合部22，贴合部21与基底1的表面粘合，且非贴合部22与基底1的表面形成腔体3，非贴合部22包括可伸展或压缩变形的具有同心圆形的褶皱结构。当腔体3内部压力高于外部压力时，腔体3发生膨胀，褶皱结构伸展，使褶皱薄膜2发生较大的位移变形，如图1(c)所示。

作为一个示例，褶皱薄膜2为3um厚的C型Parylene薄膜2，基底1为沉积有5um厚C型Parylene基底1的抛光硅片。在Parylene褶皱薄膜2与Parylene基底1层间存在用于充当粘附层的50nm厚的钛。褶皱图形为16层同心圆，褶皱宽度为10um，周期为20um，最内圈褶皱直径340um，最外圈褶皱直径960um，褶皱深度为10um，褶皱下沿与基底1间存在2um间隙；褶皱薄膜2与基底1形成直径为1000um的圆形腔体3；腔体3内部压力传递介质为空气，压力由与驱动器1000通过硅胶管相连的活塞式压力源提供；在200kPa驱动压力下，该实施例所描述的驱动器1000中央最高点具有约400um的位移变形；当驱动压力下降至0kPa时，由于褶皱结构产生的塑性变形，褶皱薄膜2中央最高点仍具有350um的位移变形；当腔体3内部驱动压力下降为-30kPa时，由于腔体3外大气压作用，驱动器1000恢复扁平的形貌，中央位移为0。

作为一个示例，褶皱结构为具有同心圆状的褶皱图形(如图1(a)和图1(b)所示)，或其他对称(如图2(a)和图2(b))及非对称的图案(如图3(a)和图3(b)所示)。通过设计褶皱图形及褶皱深度，驱动器1000膨胀后会具有不同的变形形貌、变形方向及变形量。具体地：褶皱结构沿褶皱法向方向伸展；褶皱结构深宽比越大(深宽比即深度H₁与褶皱周期D的比值)，褶皱结构伸展后长度变化率越高；无褶皱区域可以考虑为褶皱周期无穷大时的特例，不具有伸展能力；通过设计褶皱图形，褶皱薄膜2的不同区域具有不同的伸展方向及伸展率；当驱动器1000发生膨胀变形时，原本处在同一平面上的薄膜2，由于不同区域所具有的不一致的伸展方向及伸展率，形成一定的三维形貌。

作为一个示例，驱动器1000具有轴对称的同心圆形状的褶皱图形，如图2(a)所示，其在200kPa驱动压力下产生的膨胀变形如图2(b)所示。可以观察到的是，褶皱结构发生明显伸展变形，无褶皱结构部分薄膜2无明显伸展变形，薄膜2在膨胀后变形为轴对称的圆台/锥形。

作为一个示例，驱动器1000具非有轴对称的褶皱图形，如图3(a)所示，其在200kPa驱动压力下产生的膨胀变形如图2(b)所示。可以观察到的是，褶皱结构发生明显伸展，无褶皱结构部分薄膜2无明显伸展变形，褶皱薄膜2在膨胀后变为向一侧倾斜的非轴对称形貌。

需要说明的是，在本发明第一方面中所涉及的驱动器1000，用以传递压力大介质并不局限于气体，而应包含各种可以流动的流体及半流体，如空气、氮气、氧气、二氧化碳、稀有气体、水、水溶液、油脂、矿物油、硅油、氟化油、有机溶剂、液态金属、生物体液/组织液、药物注射液、凝胶、硅胶等。

作为一个示例，多个相同或不同的驱动器1000通过流体介质管路串联或并列以阵列的形式存在(如图4所示)。

作为一个示例，驱动器1000上存在作为驱动器1000与外接压力源接口的开孔，流体介质通过开孔进出器件，并在压力源与器件间传递压力；可以理解的是，在接口与驱动器1000间存在充当流体介质管路的腔体3。

作为一个示例，C型Parylene材料形成的薄膜2与基底1形成密闭的封闭腔体3，并被浸泡于丙酮中；丙酮由于的半透性渗入腔体3内部，并溶解腔体3内存在的正性光刻胶，形成一定的溶液；该溶液相对驱动器1000腔体3外的丙酮环境具有一定的渗透压，驱动器1000在该渗透压驱动下膨胀，如图4所示。

本发明第二方面还公开了一种具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法。

根据本发明第二方面的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法，包括如下步骤：

S1：准备基底。准备的基底需要包含所需的各层材料，并使基底的表面状态满足后续加工需求。

S2：在基底的表面上涂覆可移除材料以加工形成具有所需凹凸图案的模子。

S3：在基底的表面和模子的表面上通过涂覆/沉积方式制备薄膜，其中，薄膜沉积于模子表面的部分为非贴合部，非贴合部通过复现模子的表面形貌来获得所需的褶皱结构，薄膜沉积于基底的表面上的部分为贴合部，贴合部直接与基底的表面粘合。

S4：对基底和薄膜进行加工，获得所需的驱动器轮廓、开孔及切口。通过在基底或薄膜上开孔或切口，一方面用于暴露基底或薄膜的特定层，以及用于后续驱动器加工制造过程中移除薄膜下的模子，避免将薄膜从基底上剥离来去除模子，再将剥离的薄膜再固定到基底上。另一方面，用于连接外部压力源，方便流体介质进出腔体。

S5：去除模子，从而使得薄膜的非贴合部与基底表面之间形成腔体。腔体在流体介质的压力作用下，使得非贴合部膨胀并根据褶皱结构伸展输出所需变形或位移。

根据本发明第二方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法，可以使用标准MEMS微加工工艺，如光刻、薄膜沉积、plasma处理及干法刻蚀等，及可移除模子完成具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工，避免在加工中引入非微加工工艺(铸造倒模)以及较为繁琐昂贵的加工工艺(薄膜剥离、薄膜键合、深硅刻蚀等)。由于不需要进行薄膜的剥离、转移及再固定，因此，可以显著简化加工过程、提高加工精度、提升褶皱结构深宽比及褶皱图形分辨率。此外该加工方法可以提高对加工过程对基底的宽容度，可以在非平整及较为脆弱的基底表面加工具有褶皱结构的微型气动/液压驱动器，因此具备在已加工完成或未加工完成的结构件、器件及系统上堆叠加工具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的能力，可以有效扩展应用场景并提高最终系统或器件的集成度及功能复杂度。

需要说明的是，本发明第二方面实施例的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器的加工方法，得到的驱动器的尺寸可以达到：薄膜膜厚为0.1-50um，褶皱结构的褶皱周期为1-500um，褶皱结构的褶皱深度为0.1-500um，腔体的最大径向尺寸为10-20000um。

根据本发明第二方面的一个实施例，步骤S1中，包括在基底的表面上设置用于增强粘附贴合部的粘附层的步骤。也就是说，通过对基底进行表面处理来获得粘附层，有利于薄膜更加牢固地粘贴在基底上，使得腔体具有一定的耐压能力。例如，在基底的表面上溅射一层钛，并对钛进行图形化处理，例如剥离和刻蚀，获得具有一定图案的钛层，该钛层为粘附层，可以增加薄膜与基底间的粘附力。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S1中，准备的基底具有多层结构，基底的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。由此，可以方便地实现引线、电极、电容极板、电感线圈等功能。

可选地，基底的聚合物层的材料可以为聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(PI，Kapton)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(Sulfones)、聚酰胺(PA)、液晶高分子(LCP)、聚甲醛、聚氯乙烯(PVC)，聚氨酯(PU、TPU)、热塑性弹性体(TPE)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚乳酸、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(PFA)、乙烯四氟乙烯的共聚物(ETFE)、氟46、perfluoro(1-butenyl vinyl ether)polymer(CYTOP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙烯醇(PVA)、细菌纤维-聚乙烯醇(BC-PVA)、明胶、海藻酸钠、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、胶原、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA/HEMA)、聚丙烯酰胺(PAAM/PAM)、聚氨酯类(PU)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酸钠(PAAs/PAA-Na)、聚丙烯酸-丙烯酸钠、聚氧化乙烯(PEO)、聚N异丙基丙烯酰胺(NIPAAm/PNIPA)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯-聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA-co-PEGDMA)中的一种或多种。

可选的，基底的金属层的材料可以为铂、铱、钯、金、银、铜、铁、钛、铬、镍、镁、铝、锌、铟等单质及其合金中的一种或多种。

可选的，基底的非金属层的材料可为硅、玻璃、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氮化钛、压电陶瓷(PZT)、氧化铟(ITO)、氧化钌、氧化锌、铟镓锌氧化物(IGZO)及其他无机化合物中的一种或多种。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S1中，包括通过使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得多层结构的基底的步骤。由此，可以方便地实现引线、电极、电容极板、电感线圈等功能。

具体地说，基底材料施加的方式可以为基底施加材料的沉积、涂覆、粘合、键合或焊接。其中更为具体地，沉积方式可以为磁控溅射、离子溅射、电子束蒸镀、激光蒸镀、化学反应沉积或原子层沉积等；涂覆可以为均匀浸涂、均匀旋涂、均匀喷涂、逐点喷涂、逐点光固化、逐点熔覆、模板压印或丝网印刷等；粘合可以为使用粘合剂进行粘合；键合可以为加压键合、高温键合、超声键合或微波键合等；焊接可以为微波焊接、超声焊接、摩擦焊接或焊料钎焊等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多次施加材料以达到所需的厚度。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S1中，包括对基底的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。由于基底的各层结构可以分别进行图形化并具有非均匀的厚度，因此被分隔的两层可以通过中间层的通孔发生连接，某一层也可被另外两层完全包覆，或某一层可以通过另一层的某处开窗实现暴露。

具体地说，在步骤S1中，包括对基底的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤，其中包括选择性施加所需材料以获得所需图案及厚度的方法，如逐点喷涂、逐点光固化、逐点熔覆、模板压印、丝网印刷等，也包括均匀涂布后进行选择性移除的方法，如光刻、刻蚀、减薄、CMP、金属剥离、激光加工、电子束加工、离子束加工、电火花加工、刀片切割、喷砂等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多种方法的多次加工以获得所需厚度及图形。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S1中，基底为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上的基底。也就是说，在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上有一部分结构可以充当基底，薄膜通过沉积方式直接形成在基底的表面上，便于实现与其他结构或器件集成，形成更复杂的系统。这里，并不局限于基底为一层或多层。

根据本发明第二方面的一些实施例，在步骤S5之后，还包括将结构件、器件或系统连同基底的部分层从基底其余层上剥离下来的步骤，目的在于移除基底中仅在加工过程中起承载功能，而不在最终器件中发挥作用的层，如硅片。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，模子具有多层结构。例如，模子为两层结构，其中，外层的凹凸图案用于形成所需的薄膜褶皱结构，底层用于防止薄膜的非贴合部与基底的表面发生粘连。

在一些实施例中，基底的表面存在与模子的材料不同的防粘连层时，这情况下模子可仅具有单层结构，即仅用于形成薄膜褶皱结构的外层凹凸结构，而无需放置薄膜的非贴合部与基底粘连的底层结构。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S2中，包括通过使用多种可移除材料及图形化方法获得多层结构的模子的步骤，其中，模子的多层结构中的外层用于形成薄膜的非贴合部，模子的多层结构中的底层为防粘连层，用于防止非贴合部与基底的表面发生粘连，该防粘连层可以为CYTOP氟树脂层，可以具有一定的图案。

具体地说，模子材料施加的方式可以为模子施加材料的沉积、涂覆、粘合、键合或焊接等。其中更为具体地，沉积方式可以为磁控溅射、离子溅射、电子束蒸镀、激光蒸镀、化学反应沉积或原子层沉积等；涂覆可以为均匀浸涂、均匀旋涂、均匀喷涂、逐点喷涂、逐点光固化、逐点熔覆、模板压印或丝网印刷等；粘合可以为使用粘合剂进行粘合；键合可以为加压键合、高温键合、超声键合或微波键合等；焊接可以为微波焊接、超声焊接、摩擦焊接或焊料钎焊等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多次施加材料以达到所需的厚度。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S2中，包括对模子的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。如逐点喷涂(如喷墨打印)、逐点光固化(如光固化3d打印)、逐点熔覆、模板压印、丝网印刷等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多种方法的多次加工以获得所需厚度及图形。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S2中，包括使用任何均匀涂布材料后进行选择性移除以获得所需图案及厚度的步骤，如光刻、刻蚀、减薄、CMP、金属剥离、激光加工、电子束加工、离子束加工、电火花加工、刀片切割、喷砂等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多种方法的多次加工以获得所需厚度及图形。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，模子的材料为可使用针对性溶剂或溶液溶解的材料。由此，可以使用针对性熔剂或溶液溶解模子，有利于模子的移除。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，模子为可溶于水或有机溶剂的聚合物，如PEG、PVA、ABS、光刻胶等。由此，可以使用水或有机溶剂的聚合物溶解模子，有利于模子的移除。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，模子的材料为光敏性材料。光敏性材料暴露于光辐射后，光敏性材料物性发生改变，如由固体转变为液体或由液体转变为固体，或暴露于光辐射后在针对性显影液中溶解度发生改变。可选的，光敏材料可以为正性光刻胶、负性光刻胶、光固化聚合物、光固化蜡等。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，使用正性光刻胶加工具有双层结构的模子时，包含以下加工步骤：

S21：在基底表面涂覆正性光刻胶；

S22：使用第一套光刻掩模，对光刻胶进行欠曝光，形成驱动器所需的褶皱图案，通过控制曝光剂量调整褶皱深度；

S23：使用第二套光刻掩模，对光刻胶进行充分曝光，形成驱动器所需的腔体轮廓图案；

S24：对光刻胶进行显影，接受了足够曝光剂量的光刻胶部分被显影液溶解移除，未溶解的光刻胶形成双层结构的光刻胶模子。需要说明的是，该加工步骤也适用于三层或三层以上的正性光刻胶模子加工，只需选择合适的光刻掩模及曝光剂量后重复步骤S22，即可实现多层不同高度的凹凸结构。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，使用正性光刻胶加工具有双层结构的模子时，包含以下加工步骤：

S21′：在基底表面涂覆正性光刻胶；

S22′：使用第一套光刻掩模，对光刻胶进行充分曝光，形成驱动器所需的腔体轮廓图案；

S23′：在步骤S22′光刻胶层表面涂覆正性光刻胶；

S24′：使用第二套光刻掩模，对光刻胶进行曝光，形成驱动器所需的褶皱图案；

S25′：对光刻胶进行显影，未曝光部分负性光刻胶被显影液移除，曝光部分负性光刻胶无法被显影液溶解，形成双层光刻胶模子。需要说明的是，该加工步骤也适用于三层或三层以上的正性光刻胶模子加工，只需选择合适的光刻胶涂覆厚度、光刻掩模及曝光剂量后重复步骤S23′及S24′，即可实现多层不同高度的凹凸结构。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S2中，所使用负性光刻胶、光固化聚合物或光固化蜡加工具有双层结构的模子时，包含以下加工步骤：

S21〞：在基底表面涂覆光刻胶；

S22〞：使用第一套光刻掩模，对光刻胶进行充分曝光，形成驱动器所需的腔体轮廓图案；

S23〞：在步骤S2.2光刻胶层表面涂覆负性光刻胶；

S24〞：使用第二套光刻掩模，对光刻胶进行曝光，形成驱动器所需的褶皱图案；

S25〞：对光刻胶进行显影，未曝光部分负性光刻胶被显影液移除，曝光部分负性光刻胶无法被显影液溶解，形成双层光刻胶模子。需要说明的是，该加工步骤也适用于三层或三层以上的正性光刻胶模子加工，只需选择合适的光刻胶涂覆厚度、光刻掩模及曝光剂量后重复步骤S23〞及S24〞，即可实现多层不同高度的凹凸结构。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S3中，薄膜具有多层结构，薄膜的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。由此，可以方便地实现引线、电极、电容极板、电感线圈等功能。

可选地，薄膜的聚合物层的材料可以为聚对二甲苯(Parylene)、聚酰亚胺(PI，Kapton)、聚酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜(Sulfones)、聚酰胺(PA)、液晶高分子(LCP)、聚甲醛、聚氯乙烯(PVC)，聚氨酯(PU、TPU)、热塑性弹性体(TPE)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅橡胶、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，聚乳酸、聚丙烯酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、过氟烷基化物(PFA)、乙烯四氟乙烯的共聚物(ETFE)、氟46、perfluoro(1-butenyl vinyl ether)polymer(CYTOP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙烯醇(PVA)、细菌纤维-聚乙烯醇(BC-PVA)、明胶、海藻酸钠、透明质酸、琼脂糖、壳聚糖、胶原、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA/HEMA)、聚丙烯酰胺(PAAM/PAM)、聚氨酯类(PU)、聚丙烯酸(PAAc)、聚丙烯酸钠(PAAs/PAA-Na)、聚丙烯酸-丙烯酸钠、聚氧化乙烯(PEO)、聚N异丙基丙烯酰胺(NIPAAm/PNIPA)、聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、聚乙二醇二丙烯酸酯-聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGMA-co-PEGDMA)中的一种或多种。

可选的，薄膜的金属层的材料可以为铂、铱、钯、金、银、铜、铁、钛、铬、镍、镁、铝、锌、铟等单质及其合金中的一种或多种。

可选的，薄膜的非金属层的材料可为硅、玻璃、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氮化钛、压电陶瓷(PZT)、氧化铟(ITO)、氧化钌、氧化锌、铟镓锌氧化物(IGZO)及其他无机化合物中的一种或多种。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S3中，包括使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得具有多层结构的薄膜的步骤。

具体地说，薄膜材料施加的方式可以为薄膜施加材料的沉积、涂覆、粘合、键合或焊接。其中更为具体地，沉积方式可以为磁控溅射、离子溅射、电子束蒸镀、激光蒸镀、化学反应沉积或原子层沉积等；涂覆可以为均匀浸涂、均匀旋涂、均匀喷涂、逐点喷涂、逐点光固化、逐点熔覆、模板压印或丝网印刷等；粘合可以为使用粘合剂进行粘合；键合可以为加压键合、高温键合、超声键合或微波键合等；焊接可以为微波焊接、超声焊接、摩擦焊接或焊料钎焊等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多次施加材料以达到所需的厚度。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S3中，包括使用多种图形化方法使薄膜各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。由于薄膜的各层结构可以分别进行图形化并具有非均匀的厚度，因此被分隔的两层可以通过中间层的通孔发生连接，某一层也可被另外两层完全包覆，或某一层可以通过另一层的某处开窗实现暴露。

具体地说，在步骤S3中，包括使用多种图形化方法使薄膜各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤，其中包括选择性施加所需材料以获得所需图案及厚度的方法，例如逐点喷涂、逐点光固化、逐点熔覆、模板压印、丝网印刷等，也包括均匀涂布后进行选择性移除的方法，例如光刻、刻蚀、减薄、CMP、金属剥离、激光加工、电子束加工、离子束加工、电火花加工、刀片切割、喷砂等。在具体的操作步骤中，可能需要对同一层进行多种方法的多次加工以获得所需厚度及图形。

根据本发明第二方面进一步的实施例，在步骤S3中，包括使所施加薄膜材料固化的步骤，即使所施加材料由气体、液体或半固体状态逐渐硬化为固体的过程，包括光致固化、加热固化、冷却固化、溶剂挥发固化、氧气催化固化、厌氧固化、水蒸气催化固化、组分反应固化、冻融固化等。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S4中，获得驱动器所需的轮廓、开孔及且切口可以采用刻蚀法、激光切割法及金属剥离法等。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S5中，包括使用针对性溶剂或溶液对可移除材料的模子进行物理性溶解的步骤；或使用针对性溶剂或溶液对与可移除材料发生化学反应而使模子溶解的步骤。通过对可移除材料的模子进行物理溶解后化学溶解的方法，可以有效地移除掉模子。

例如，当模子的材料为可使用针对性熔剂或溶液溶解的材料时，在步骤S5中，使用针对性的溶剂或溶液溶解模子，随后该溶剂或溶液被保留、移除或由其他所需介质取代。

具体地，在步骤S5中，溶解模子的过程可包括：

S51：使用针对性溶剂或溶液对模子进行物理性溶解，所用溶剂或溶液可以为丙酮、异丙醇、乙醇、甲胺、甲苯、四氢呋喃，水或超临界二氧化碳等有机及无机溶剂，以及多种溶剂的混合物；

S52：使用针对性溶剂或溶液对与模子发生化学反应进而使模子溶解，所用溶剂或溶液可以为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、氢氧化钾水溶液、TMAH水溶液或光刻胶显影液等。

具体地，在步骤S5中，取代用于移除模子的溶剂的方法可包括：

S53：将驱动器浸泡在另一种或多种溶剂中，使驱动器的腔体内的溶剂或溶液逐渐被所需溶剂或溶液替代；

S54：将驱动器内已有溶剂或溶液完全移除，并将驱动器腔体内抽至真空状态，并在维持腔体内真空的情况下将驱动器浸泡在所需溶剂或溶液中，或将所需溶剂或溶液注入腔体内；

S55：在驱动器腔体具有两个或两个以上开口时，直接将所需溶剂或溶液从驱动器的一个开口注入，将腔体内原有气体或液体排出。

具体地，在步骤S5中，移除溶剂或溶液的方法可包括：

S56：将器件放置在大气环境下，使器件腔体内溶剂或溶液逐渐挥发；

S57：腔器件放置在真空环境中，使腔体内溶剂或溶液沸腾并快速排出；

S58：加热器件，使腔体内溶剂或溶液沸腾并快速排出。

可选地，包含将驱动器腔体内溶剂或溶液首先替代为另一种挥发性较强的溶剂，随后进行移除操作的步骤。

根据本发明第二方面的一个实施例，在步骤S5之后，包括对驱动器退火处理以提高薄膜的贴合部与基底表面之间的粘附力的步骤，从而可以进一步提高腔体的耐压能力。

下面将描述根据本发明第二方面的一个具体实施例的具有褶皱薄膜结构的微型气动/液压驱动器的加工方法。

图5为本发明的具有褶皱薄膜的微气动/液压驱动器的代表性工艺流程，其包括以下步骤：

S1：准备基底。制备/准备的基底将包含驱动器基底所需的各层材料，并使其表面状态满足后续加工需求。

作为一个示例，结合图5(a)所示，首先对表面抛光的四寸硅片进行标准清洗，保证硅片表面清洁。随后在其表面沉积一层5um厚的Parylene-C材料作为基底的一部分。随后在Parylene-C表面正面溅射50nm钛，作为粘附层。该钛层的作用为增强基底的Parylene-C的表面与后续沉积的Payrylene-C褶皱薄膜间的粘附力。需要说明的是，对Ti粘附层进行图形化不是必须的：只有Parylene材料直接沉积在Ti表面时才会产生粘连；对于沉积在光刻胶模子表面的Payrlene薄膜，在移除光刻胶后也不会与Ti发生粘连，因此可以保留非贴合部的Ti，图5(a)中没有对TI进行图形化；对粘附层进行图形化是可以的，图6(a)中对Ti粘附层进行了图形化，移除了非贴合部的Ti。

在一些实施例中，可在步骤S1中施加任意多层相同或不同材料作为基底的一部分，同时对各层可以分别进行图形化，使之具有非均匀的厚度。作为一个示例，结合图(6)a所示，在Parylene-C层与硅片间存在铝牺牲层，通过在铝牺牲层处将Parylene-C层与硅片剥离开来。

S2：在基底上施加可移除材料形成具有所需凹凸图案的模子。具体地，该可移除材料可由按期望的图案形式直接施加(例如通过逐点涂覆/沉积/固化)，也可在施加至整个基底表面后进行选择性地移除。

作为一个示例，该模子可按以下步骤形成：

S201：在基底表面旋涂12um厚的AZ4903正性光刻胶，如图5(b)所示。

S202：使用第一套光刻掩模，对光刻胶进行欠曝光，形成所需的褶皱图案，通过控制曝光剂量调整褶皱深度，如图5(c)所示。

S203：使用第二套光刻掩模，对光刻胶进行充分曝光，形成驱动器所需的腔体轮廓图案，如图5(d)所示。

S204：对光刻胶进行显影，接受了足够曝光剂量的光刻胶部分被显影液溶解移除，未溶解的光刻胶形成双层结构的光刻胶模子，如图5(e)所示。

可以理解的是，在上述步骤S2的示例中，可移除材料形成的模子包含两层结构，其中：外层凹凸结构用于形成薄膜的非贴合部所需的褶皱结构，底层结构用于防止薄膜的非贴合部与基底发生粘连。

S3：在基底与模子表面上制备薄膜。具体地，薄膜沉积于模子表面的部分为非贴合部，非贴合部通过复现模子的表面形貌来获得所需的褶皱结构，薄膜沉积于基底的钛表面上的部分为贴合部，贴合部直接与基底的表面粘合

具体地，施加于模子表面的的薄膜材料通过复现模子的表面形貌，获得所需的褶皱结构；施加在基底表面的薄膜材料直接与基底表面(钛表面)产生粘合。作为一个示例，结合图5(f)所示，3um厚的Parylene-C被均匀沉积在基底及模子表面。

在一些实施例中，可在步骤S3中施加任意多层相同或不同材料作为褶皱薄膜的一部分，同时对各层可以分别进行图形化，使之具有非均匀的厚度。作为一个示例，可以对Parylene褶皱薄膜进行开孔以暴露Parylene薄膜下的钛，如图6(e)所示；以及在Parylene形成的褶皱薄膜上表面加工一层图形化的铂，如图6(f)所示。

S4：对基底及薄膜进行加工，获得所需的驱动器轮廓、切口及开孔。

具体地，使用激光、刻蚀或刀片等任意方式对器件进行加工，使之具有所需要的驱动器的外形轮廓；或在基底及薄膜上产生切口及开孔，用于后续移除薄膜下的模子、连接外部压力源、暴露薄膜或基底的特定层等。作为一个示例，结合图5(g)所示，使用紫外激光切割或氧Plasma刻蚀在器件褶皱薄膜上预留区域产生直径300um的圆形开窗，用于移除器件内部的光刻胶及连接气压源。

S5：去除可移除材料制作的模子。

具体地，通过针对性溶剂浸泡以溶解可移除材料形成的模子，使薄膜与基底形成所形成的腔体；进一步地，可将腔体内的溶剂使用其他流体介质取代。作为一个示例，如图5(h)所示，驱动器在步骤S4中产生开孔后放在丙酮中浸泡，丙酮通过开孔及parylene薄膜进入驱动器腔体内并将光刻胶溶解，光刻胶通过开孔向驱动器外部的溶剂中扩散。通过足够时间的浸泡，及多次更换用于浸泡驱动器的丙酮，最终腔体内部的光刻胶被完全移除，腔体由纯丙酮所填充。随后器件被加热或置于真空腔中，促使器件内的丙酮沸腾并快速挥发，以避免褶皱薄膜与基底发生吸附。

可选地，在步骤S5之后，可将器件连同部分基底从另一部分基底上剥离，即在器件中仅保留与薄膜粘附界面附近的一层或数层基底。作为一个示例，结合图5(i)所示，在完成器件轮廓的切割后，将器件浸没在1Mol/L浓度的硫酸钠溶液中，并将硅片连接至电源阳极(阴极浸没在硫酸钠溶液中)，对硅片施加20V电压。在溶液毛细力，硅片表面发生电化学腐蚀及水电解产生的氧气气泡的共同作用下，器件连同Parylene基底从硅片上剥离。

在一些实施例中，可以通过腐蚀基底中预留的牺牲层完成器件的剥离，如图6(i)所示；也可以使用机械方法将部分基底进行剥离；也可通过研磨、腐蚀或刻蚀减薄或去除部分基底。

可选地，在步骤S5之后，将器件放置于真空烘箱/热板中进行热退火，以增强褶皱薄膜与基底的粘附力。作为一个示例，在真空度0.5Pa的真空腔内，将器件放置在190摄氏度的加热板上退火2h，随后降至室温，可以有效提升褶皱薄膜与基底的粘附力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (32)

1.一种具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，包括：

基底；

薄膜，所述薄膜通过沉积方式直接形成在所述基底的表面上，且包括贴合部和非贴合部，所述贴合部与所述基底的表面粘合，且所述非贴合部与所述基底的表面形成腔体，所述非贴合部包括可伸展或压缩变形的褶皱结构，所述腔体在流体介质的压力作用下，使得所述非贴合部膨胀并根据所述褶皱结构伸展输出所需变形或位移；

在所述薄膜通过沉积方式直接形成在所述基底的表面上之前，在所述基底的表面上涂覆可移除材料以加工形成具有所需凹凸图案的模子；所述薄膜沉积于所述模子表面的部分为所述非贴合部，所述非贴合部通过复现所述模子的表面形貌来获得所需的褶皱结构，在所述薄膜沉积结束后，使用针对性溶剂或溶液对所述模子进行溶解移除。

2.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述薄膜的所述贴合部与所述基底之间设有粘附层。

3.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述基底包含多层结构，所述多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

4.根据权利要求3所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述基底的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同。

5.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述基底为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上。

6.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述非贴合部还包括与褶皱结构相连的平面结构。

7.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述非贴合部的膨胀变形过程中和过程后的变形程度、变形方向和三维形貌根据所述褶皱结构的褶皱图案和褶皱深度来确定。

8.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述非贴合部的膨胀变形量通过控制所述流体介质的参数来控制。

9.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述褶皱结构伸展后产生塑性变形，因此在撤去对褶皱薄膜所施加的压力后，薄膜可以维持一定的变形而不会完全恢复原状。

10.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述褶皱结构伸展后不产生塑性变形，因此在撤去对褶皱薄膜所施加的压力后，薄膜完全恢复被施加压力前的原状。

11.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述薄膜包含多层结构，所述薄膜的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

12.根据权利要求11所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述薄膜的每一层与其它层的图案、材料和厚度均不同。

13.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，薄膜的材料为非超弹性材料。

14.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述基底或所述薄膜的所述非贴合部设有开孔及切口。

15.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述流体介质为气体、液体、凝胶状半流体或膏状半流体。

16.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述驱动器外接为所述流体介质提供压力的压力源；或者所述驱动器上集成微型压力源；或者所述驱动器的部分所述腔体具有压力源功能。

17.根据权利要求1所述的具有褶皱薄膜的微型气动/液压驱动器，其特征在于，所述驱动器以单个形式存在；或由多个相同或不同的所述驱动器通过流体介质管路串联或并列以阵列的形式存在。

18.一种具有褶皱薄膜的微型气动/液动驱动器的加工方法，包括如下步骤：

S1：准备基底；

S2：在所述基底的表面上涂覆可移除材料以加工形成具有所需凹凸图案的模子；

S3：在所述基底的表面和所述模子的表面上通过涂覆/沉积方式制备薄膜，其中，所述薄膜沉积于所述模子表面的部分为非贴合部，所述非贴合部通过复现所述模子的表面形貌来获得所需的褶皱结构，所述薄膜沉积于所述基底的表面上的部分位贴合部，所述贴合部直接与所述基底的表面粘合；

S4：对所述基底和所述薄膜进行加工，获得所需的驱动器轮廓、开孔及切口；

S5：去除所述模子；

在所述步骤S5中，包括使用针对性溶剂或溶液对可移除材料的所述模子进行物理性溶解的步骤；或使用针对性溶剂或溶液对与可移除材料发生化学反应而使所述模子溶解的步骤。

19.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括在所述基底的表面上设置用于增强粘附所述贴合部的粘附层的步骤。

20.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S1中，准备的所述基底具有多层结构，所述基底的多层结构至少包括一个聚合物层、一个金属层和一个非金属层。

21.根据权利要求20所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S1中，包括通过使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得多层结构的所述基底的步骤。

22.根据权利要求20所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S1中，包括对所述基底的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

23.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述基底为形成在已加工完成或未加工完成的结构件、器件或系统上。

24.根据权利要求18、20或23所述的加工方法，其特征在于，在步骤S5之后，还包括将结构件、器件或系统连同基底的部分层从基底其余层上剥离下来的步骤。

25.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述模子具有多层结构。

26.根据权利要求25所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括通过使用多种可移除材料及图形化方法获得多层结构的所述模子的步骤，其中，所述模子的多层结构中的外层用于形成所述薄膜的所述非贴合部，所述模子的多层结构中的底层为防粘连层，用于防止所述非贴合部与所述基底的表面发生粘连。

27.根据权利要求25所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包括对所述模子的多层结构中的各层采用相应的图形化方法使各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

28.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述模子的材料为可使用针对性溶剂或溶液溶解的材料；或所述模子为可溶于水或有机溶剂的聚合物；或所述模子的材料为光敏性材料。

29.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述薄膜具有多层结构，所述薄膜的多层结构至少包括一个聚合物层和一个金属层。

30.根据权利要求29所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包括使用多种材料施加、材料连接及表面处理方法获得具有多层结构的所述薄膜的步骤。

31.根据权利要求30所述的加工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包括使用多种图形化方法使所述薄膜各层具有所需的图案及非均匀厚度的步骤。

32.根据权利要求18所述的加工方法，其特征在于，在步骤S5之后，包括对所述驱动器退火处理以提高所述薄膜的所述贴合部与所述基底表面之间的粘附力的步骤。

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