CN111883380B - 一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法 - Google Patents

一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，属于微机电系统微加工技术领域。该方法首先，制造石墨烯包覆的镓基合金液滴。其次，依次制作含有固定电极的玻璃盖片、含有微通道的PDMS基片。最后，将玻璃盖片和PDMS基片的表面进行氧等离子体处理，并将石墨烯包覆的镓基合金液滴放入微通道中，完成二者的键合。本发明制造的微流体惯性开关是利用具有高润滑性和高导电性的石墨烯对镓基合金液滴进行包覆，可以有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然可以保持液滴的良好导电特性。

Description

一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造 方法
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)微加工技术领域，涉及一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法。
技术背景
微惯性开关是一种通过感知阈值加速度来实现开关通断的精密器件，因其体积小、功耗低、响应速度快等优点，被广泛应用于武器系统、汽车以及手势识别等领域。目前，微惯性开关主要分为“固-固”接触型和“固-液”接触型两大类。“固-固”接触型微惯性开关即传统机械式微惯性开关，在电极接触时存在接触磨损、信号跳变、接触电阻大等问题，影响了开关的使用性能。为了克服“固-固”接触型微惯性开关存在的问题，近年来，“固-液”接触型微惯性开关受到了国内外学者的关注。
“固-液”接触型微惯性开关又称为微流体惯性开关，大多数利用液态金属液滴作为开关的运动电极，当感知到的加速度大于开关阈值时，液态金属液滴在惯性力驱动下沿着开关中的微通道运动，从而接通开关上的固定电极实现开关的闭合。现有的液态金属液滴材料主要包括汞和镓基合金两种。2011年，韩国浦项科技大学Yoo等人研制了一种基于汞液滴的微流体惯性开关，可实现加速度达到阈值后的一次性导通。然而，汞剧毒且易挥发，基于环境和健康方面考虑，其使用范围受到一定限制。镓基合金低毒性且蒸汽压低，但极易被氧化生成一层薄的氧化层，这层氧化层容易粘附在微通道表面，从而影响开关的使用性能。2016年，南京理工大学沈腾等人研制了一种基于镓铟合金的微流体惯性开关，为了防止镓铟合金的氧化层粘附在微通道表面，在微通道表面上覆盖了一层聚四氟乙烯薄膜。
发明内容
本发明提出一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，主要包括制作石墨烯包覆的镓基合金液滴、制作含有固定电极的玻璃盖片、制作含有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片以及键合玻璃盖片和PDMS基片四个步骤。其中，利用具有高润滑性和高导电性的石墨烯对镓基合金液滴进行包覆，可以有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然可以保持液滴的良好导电特性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，包括以下步骤：
步骤1：制作石墨烯包覆的镓基合金液滴。
利用微量进样器抽取一定体积的镓基合金，将其滴落在铺满石墨烯粉末的培养皿中，通过晃动培养皿使镓基合金液滴在石墨烯粉末中充分滚动，即可在镓基合金液滴表面包覆一层致密均匀的石墨烯。
步骤2：制作含有固定电极的玻璃盖片。
首先，在玻璃片上依次磁控溅射一层铬薄膜和一层金薄膜，其中铬薄膜作为粘附层用于提高金薄膜与玻璃片之间的结合强度；接着，利用匀胶机在金薄膜上旋涂一层正性光刻胶，旋涂完成后依次进行前烘、曝光、显影和后烘；然后，依次对金薄膜和铬薄膜进行湿法腐蚀；最后，去除金薄膜表面剩余的正性光刻胶。
步骤3：制作含有微通道的PDMS基片。
首先，利用光刻工艺，在硅片表面制作出SU-8负性光刻胶结构，得到SU-8模具；接着，利用浇注成型工艺，将SU-8模具上的微通道结构复制到PDMS基片表面；然后，由于PDMS表面具有一定的粘性，为了防止镓基合金液滴表面包覆的石墨烯被粘到PDMS微通道表面，将PDMS表面微通道结构以外的区域覆盖上聚酰亚胺(PI)薄膜，利用化学气相沉积方法在微通道侧壁和底部沉积一层聚对二甲苯(Parylene)薄膜作为防粘层。
步骤4：键合玻璃盖片和PDMS基片。
首先，将玻璃盖片和PDMS基片的表面进行氧等离子体处理；接着，将石墨烯包覆的镓基合金液滴放入微通道中；然后，利用显微镜将玻璃盖片和PDMS基片对准并粘贴到一起，从而完成二者的键合。与现有技术相比，本发明的有益效果是：上述方法制造出的微流体惯性开关利用石墨烯包覆的镓基合金液滴作为运动电极，可以有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然可以保持液滴的良好导电特性。
附图说明
图1-图4是制作基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关步骤示意图，具体为：
图1为制作石墨烯包覆的镓基合金液滴示意图；
图2为制作含有固定电极的玻璃盖片示意图；
图3为制作含有微通道的PDMS基片示意图；
图4为键合玻璃盖片和PDMS基片示意图。
图中：1镓基合金，2石墨烯粉末，3石墨烯包覆的镓基合金液滴，4金薄膜，5铬薄膜，6玻璃片，7正性光刻胶，8SU-8负性光刻胶，9硅片，10PDMS基片，11PI薄膜，12Parylene薄膜。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施方式。
一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，包括以下步骤：
步骤1：制作石墨烯包覆的镓基合金液滴，如图1。
利用微量进样器抽取体积为65纳升的镓基合金1，具体为镓铟锡合金，将其滴落在铺满石墨烯粉末2的培养皿中，通过晃动培养皿使镓铟锡合金液滴在石墨烯粉末2中充分滚动，即可在镓铟锡合金液滴表面包覆一层致密均匀的石墨烯，得到石墨烯包覆的镓基合金液滴3。
步骤2：制作含有固定电极的玻璃盖片，如图2。
(1)溅射铬薄膜5和金薄膜4。在外形尺寸为25mm×25mm的玻璃片6上依次磁控溅射一层厚度为10nm的铬薄膜5和一层厚度为100nm的金薄膜4。
(2)光刻胶图形化。利用匀胶机在金薄膜表面旋涂一层厚度为5μm的型号为BP212的正性光刻胶7，旋涂时低速600r/min、时间9s，高速2600r/min、时间30s，在85℃的热板上对光刻胶进行前烘30min。在光刻胶表面覆盖掩膜版，利用光刻机对光刻胶进行紫外曝光，曝光强度3.2mW/cm2、时间100s。将曝光后的光刻胶浸入质量分数为0.5％的NaOH溶液中进行显影，时间40s，显影完成后用去离子水冲洗40s，并用氮气将其吹干，并在85℃的热板上对光刻胶后烘30min。
(3)腐蚀金薄膜4和铬薄膜5。首先，利用金腐蚀液(I2：KI：H2O＝1g：5g：50mL)腐蚀金薄膜，腐蚀时间40s；接着，利用铬腐蚀液(H4CeN2O3：HClO4：H2O＝10g：9mL：100mL)腐蚀铬薄膜5，腐蚀时间20s；然后，将玻璃片取出，用去离子水冲洗40s，并用氮气吹干。
(4)去胶。将玻璃片6浸入丙酮溶液中去除金薄膜4表面剩余的光刻胶，时间30s。
步骤3：制作含有微通道的PDMS基片，如图3。
(1)制作SU-8模具。首先，在清洗干净的硅片9表面旋涂一层厚度为500μm的SU-8负性光刻胶8(2150,MicroChem Corp,USA)，旋涂时低速600r/min、时间9s，高速1000r/min、时间15s；其次，将硅片9放入烘箱中对SU-8负性光刻胶8进行前烘，65℃烘烤30min、85℃烘烤4h；接着，在SU-8负性光刻胶8表面覆盖掩膜版，利用光刻机对SU-8负性光刻胶8进行紫外曝光，曝光强度3.2mW/cm2、曝光时间370s；然后，对SU-8负性光刻胶8进行后烘，温度65℃、时间30min；最后，将硅片9浸入到SU-8显影液中进行显影，时间30min，显影完成后用去离子水冲洗40s，并用氮气将其吹干。
(2)浇注PDMS基片10。首先，将PDMS预聚物和固化剂按照体积比10:1混合均匀后浇注到SU-8模具表面；接着，将SU-8模具放入真空烘箱中对PDMS混合物进行除气处理；然后，将真空烘箱加热到80℃保持2h，使PDMS混合物固化成型；最后，将固化后的PDMS基片10从SU-8模具表面剥离。
(3)沉积Parylene薄膜12。将PDMS表面微通道结构以外的区域覆盖上PI薄膜11，利用化学气相沉积方法在微通道侧壁和底部沉积一层厚度为2μm的Parylene薄膜12。
步骤4：键合玻璃盖片和PDMS基片，如图4。
首先，将玻璃盖片和PDMS基片放入等离子体清洗机的腔室内进行氧等离子体表面处理，射频功率15W、时间65s；接着，将石墨烯包覆的镓铟锡合金液滴放入微通道中；然后，利用显微镜将玻璃盖片和PDMS基片对准并粘贴到一起，从而完成二者的键合。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于石墨烯包覆镓基合金液滴的微流体惯性开关制造方法，其特征在于，该方法制造的开关利用具有高润滑性和高导电性的石墨烯对镓基合金液滴进行包覆，能够有效避免镓基合金的氧化层对开关中微通道表面的粘附，同时仍然保持液滴的良好导电特性；制造方法包括以下步骤：
步骤1：制作石墨烯包覆的镓基合金液滴；
利用微量进样器将镓基合金滴落在铺满石墨烯粉末的培养皿中，通过晃动培养皿使镓基合金液滴在石墨烯粉末中充分滚动，即可在镓基合金液滴表面包覆一层致密均匀的石墨烯；
步骤2：制作含有固定电极的玻璃盖片；
首先，在玻璃片上依次磁控溅射一层铬薄膜和一层金薄膜，其中铬薄膜作为粘附层用于提高金薄膜与玻璃片之间的结合强度；接着，利用匀胶机在金薄膜上旋涂一层正性光刻胶，旋涂完成后依次进行前烘、曝光、显影和后烘；然后，依次对金薄膜和铬薄膜进行湿法腐蚀；最后，去除金薄膜表面剩余光刻胶；
步骤3：制作含有微通道的PDMS基片；
首先，利用光刻工艺，在硅片表面制作出SU-8负性光刻胶结构，得到SU-8模具；接着，利用浇注成型工艺，将SU-8模具上的微通道结构复制到PDMS基片表面；然后，由于PDMS表面具有一定的粘性，为了防止镓基合金液滴表面包覆的石墨烯被粘到PDMS微通道表面，将PDMS表面微通道结构以外的区域覆盖上聚酰亚胺(PI)薄膜，利用化学气相沉积方法在微通道侧壁和底部沉积一层聚对二甲苯(Parylene)薄膜作为防粘层；
步骤4：键合玻璃盖片和PDMS基片；
首先，将玻璃盖片和PDMS基片的表面进行氧等离子体处理；接着，将石墨烯包覆的镓基合金液滴放入微通道中；然后，利用显微镜将玻璃盖片和PDMS基片对准并粘贴到一起，从而完成二者的键合。
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