CN113637930B - 一种金属玻璃三维结构的制备方法及其传感应用 - Google Patents

一种金属玻璃三维结构的制备方法及其传感应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自支撑金属玻璃三维结构的制备方法及其在传感器领域的应用。制备方法包括设计三维结构对应的平面图形，光刻制备硅模板，利用硅模板对金属玻璃进行热塑性成型以复制硅模板上的图案，对热塑性成型后的硅模板进行打磨抛光并释放复制的金属玻璃平面图案结构，固定金属玻璃平面图案结构的固定端，使得金属玻璃平面图案结构的移动端相对于固定端发生面外变形以获得金属玻璃三维结构，将保持固定的金属玻璃三维结构进行应力松弛，取出金属玻璃三维结构待其冷却后去除固定。自支撑金属玻璃三维结构在传感器中的应用包括大量程力和位移传感器、低频振动测量等。本发明的自支撑金属玻璃三维结构具有优异的力学性能和传感性能。

Description

一种金属玻璃三维结构的制备方法及其传感应用
技术领域
本发明涉及一种金属玻璃三维结构的制备方法及其作为传感器的应用。属于先进制造与传感器领域。
背景技术
自上世纪70年代成功制备出块状金属玻璃以来，因各金属玻璃体系优异的性能，块状金属玻璃在电子器件、日常生活、光学、医疗、军工和航空航天等领域的应用发展日益受到基础科研和工业界的关注，且在某些领域已取得了长足发展。例如：Fi、Ni、Co基非晶合金条因其优异的软磁特性已成为各种变压器、电感器和传感器、磁屏蔽材料、无线电频率识别器等的理想铁芯材料，其制造技术已经相当成熟；Ca、Mg基非晶合金因其生物兼容性已成功应用于医疗领域；而具有高强度、高韧性和侵彻穿深能性能的块状非晶合金复合材料是第三代穿甲、破甲弹备选材料；金属玻璃具有优越的弹性性能，其弹性极限可达2％，屈服极限最高已达5000MPa，且具有优异的抗腐蚀耐磨损性能，有望成为传感器部件的关键材料。
2009年耶鲁大学Schroers等人通过热塑性压印，实现了块状金属玻璃在微纳米尺度的加工和制造，这使得金属玻璃在微机电器件、光电子器件和微电子通讯器件等领域的应用成为可能。但是由于热塑性压印工艺依赖于模板，而制备三维模板还存在很大的挑战，因此目前多是应用二维模板通过热塑性压印工艺获得金属玻璃二维结构，其应用受到诸多限制。因此，如何实现金属玻璃三维结构尤其是特征尺寸在微米尺度的三维结构的制备，在微机电系统和传感器等领域显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种金属玻璃三维结构的制备方法及其在传感器领域的应用，通过设计和热塑性压印制备特征尺寸在毫微米的金属玻璃二维结构，进而通过变形再定形获得三维功能性结构，所发明的制备工艺具有简单、高效且便于工业化的特点。由于金属玻璃具有优异的力学和物理化学性能，有限元仿真及实施例表明所制备的金属玻璃三维结构在力传感、振动测量等领域具有潜在的应用前景。
根据本发明的实施措施，本发明提供的制备金属玻璃三维结构的方法，包括如下步骤：
(A)光刻法制备具有平面几何图案的硅模板；
(B)在金属玻璃的过冷液相温度区间把金属玻璃压入到所述硅模板，以复制所述硅模板表面的平面几何图案；
(C)去除多余的金属玻璃基底，仅保留流入到硅模板中的金属玻璃；
(D)去除硅模板，获得复制的金属玻璃二维结构；
(E)施加固定约束于固定所述金属玻璃二维结构的固定端，施加载荷使得金属玻璃二维结构的移动端相对固定端发生变形，以获得固定约束和外载荷约束下的金属玻璃三维结构；
(F)将所述约束的金属玻璃三维结构加热到其过冷液相温度区间进行应力松驰；
(G)将完成应力松弛的金属玻璃三维结构冷却，并去除固定约束和外载荷约束，获得自支撑金属玻璃三维结构。
进一步，其中所述金属玻璃的过冷液相温度区间指温度大于玻璃转变温度而小于晶化温度的区间。
进一步，其中所述的去除多余的金属玻璃基底采用机械磨抛去除方法。
进一步，其中所述的去除硅模板采用化学腐蚀去除的方法。
本发明还提供了一种金属玻璃三维结构在低频振动测量中的应用，包括以下步骤：
(A)在金属玻璃三维结构的固定端和移动端分别连接一根导电线；
(B)将一个质量块固定到所述金属玻璃三维结构的移动端，以组装成弹簧振子系统；
(C)将所述弹簧振子系统集成到一个磁性环境中；
(D)将弹簧振子放置到待测系统上，当待测系统激发弹簧振子振动时，金属玻璃三维结构切割磁感线产生电动势，通过电压表测试两根导电线之间的电动势，获得待测系统的振动频率。
进一步，其中所述金属玻璃三维结构与质量块通过胶粘组装到一起；
进一步，其中所述弹簧振子系统是通过固定在一个永磁铁表面形成所需的磁性环境。
本发明还提供了一种金属玻璃三维结构在力传感中的应用，包括以下步骤：
(A)将金属玻璃三维结构的固定端和一个带中间通孔的基底固定在一起；
(B)将一根探针穿过所述基底中间通孔和所述金属玻璃三维结构移动端的中心孔并使之与金属玻璃三维结构移动端的中心孔固定在一起，获得金属玻璃力传感器；
(C)将所述金属玻璃力传感器的基底与一驱动器相连接；
(D)驱动所述金属玻璃力传感器移动使得所述探针接触并施加载荷到待测物体，所述探针相对所述固定基底之间的相对位移乘以所述金属玻璃三维结构的弹簧系数即获得施加到待测物体上的载荷大小。
进一步，其中所述金属玻璃三维结构移动端的中心孔与所述基底的中间通孔的孔中心连线与金属玻璃三维结构的对称轴重合；
进一步，其中所述探针的直径与所述基底的中间通孔之间存在缝隙，且缝隙小于100微米。
本发明的优点如下：
(1)本发明提供的制备方法是基于金属玻璃特有的热塑性成型能力和成熟的硅电子光刻技术，可以制备各种复杂图形的金属玻璃二维结构。利用金属玻璃优异的弹性性能，并通过结构设计优化可以对金属玻璃二维结构进行面外变形获得极大高径比的各种复杂构型的三维结构；
(2)本发明提供的制备方法通过对变形后的高径比金属玻璃三维结构进行应力松弛使得变形后的三维结构在外载荷释放后能够保持三维构型；
(3)本发明提供的制备方法工艺简单、高效、可控性强，便于工业化，可大大提高三维结构的生产效率；
(4)本发明的金属玻璃三维结构在大量程力传感、低频振动测量等领域具有潜在的应用前景。
附图说明
图1是本发明金属玻璃三维结构的制备方法的示意图；
图2是本发明金属玻璃三维结构及其典型应用的结构示意图；
图3是本发明制备实施例1制备金属玻璃三维结构过程图：图3(a)为实施例1中硅模板；图3(b)为实施例1中金属玻璃热塑性压印后打磨抛光形貌；图3(c)为实施例1中NaOH溶液去硅模板后的金属玻璃二维结构；图3(d)为实施例1中三维成型后的金属玻璃结构；
图4是本发明实施例2制备金属玻璃三维结构过程图：图4(a)为实施例2中硅模板；图4(b)为实施例2中金属玻璃热塑性压印后打磨抛光形貌；图4(c)为实施例2中KOH溶液去除硅模板后的金属玻璃二维结构；图4(d)为实施例2中三维成型后的金属玻璃结构；
图5是本发明金属玻璃三维结构的制备方法制备的一系列金属三维结构；
图6是本发明实施例3中金属玻璃三维结构作为低频振动测量的应用实例：图6(a)为低频振动测量装置中的金属玻璃弹簧振子系统，图6(b)为低频振动测量原理图；图6(c)为低频振动装置应用实例所测电压与频率关系；
图7是本发明实施例4中金属玻璃三维结构在力传感中的应用实例；图7(a)为金属玻璃力传感器，图7(b)为应用实例侧视图；图7(c)为应用实例所测力位移曲线；
图中：1-固定端；2-移动端；3-导电线；4-质量块；5-带中间通孔的基底；6-探针；7-金属玻璃三维弹簧，8-金属玻璃力传感器。
具体实施方式
下面结合附图，以制备金属玻璃三维弹簧为例，对本发明所述制备方法进行详细说明。
实施例1，利用Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5块状金属玻璃制备线宽为30—100μm的平面直径为7mm三维弹簧结构：
1、设计金属玻璃三维结构对应的平面图案，并采用紫外光刻制备相应硅模板，刻深为50μm，如图3(a)所示；
2、制备金属玻璃片材：采用在过冷液相区，将长和直径均为2mm的金属玻璃棒材预压为直径8mm左右的片材；
3、热塑性压印：自下而上分别叠放40μm厚不锈钢基底、硅模板、金属玻璃片、40μm厚不锈钢垫片，并置于万能试验机上下两板之间，在过冷液相区进行加压压印，采用50N/S的加载速率加载至7kN，保载10s，然后迅速卸载，马上取出硅模板进行水冷；
4、依次采用600目、1000目、2000目、3000目砂纸打磨去除压印后硅模板非结构图案区域的金属玻璃，使填充满金属玻璃的结构图案完全暴露，并采用4000目砂纸对其表面进行抛光，得到如图3(b)所示结构；
5、对步骤4中抛光后的硅模板脱膜，脱膜采用6mol/L KOH溶液，在60℃下腐蚀2h，最后用去离子水清洗样品表面残留的KOH溶液，得到金属玻璃二维结构，如图3(c)所示。
6、施加固定约束于步骤5中制备的金属玻璃二维结构的固定端1，施加载荷使得金属玻璃二维结构的移动端2相对固定端1发生弹性变形，得到金属玻璃三维结构；
7、将步骤6中得到的金属玻璃三维结构浸入加热到过冷液相区的高温润滑油中一定时间进行快速结构驰豫，本例中温度为260℃，时间为3s，后取出，置于空气下冷却，即完成金属玻璃三维结构的定型；
8、去除步骤7中得到的金属玻璃三维结构的固定约束和外载荷约束，通过丙酮溶解其表面粘附的高温润滑油，采用无水乙醇和去离子水清洗2～3遍，即得到金属玻璃三维结构。如图3(d)所示。
实施例2，利用Zr35Ti30Cu7.5Be27.5块状金属玻璃制备线宽为5—100μm的平面直径为7mm三维弹簧结构：
1、设计金属玻璃三维结构对应的平面图案，并采用紫外光刻制备相应硅模板，刻深为50μm，如图4(a)所示；
2、制备金属玻璃片材：采用在过冷液相区，将长和直径均为2mm的金属玻璃棒材预压为直径8mm左右的片材；
3、热塑性压印：自下而上分别叠放40μm厚不锈钢基底、硅模板、金属玻璃片、40μm厚不锈钢垫片，并置于万能试验机上下两板之间，在过冷液相区进行加压压印，采用50N/S的加载速率加载至7kN，饱载10s，然后迅速卸载，马上取出硅模板进行水冷；
4、依次采用600目、1000目、2000目、3000目砂纸打磨去除压印后硅模板非结构图案区域的金属玻璃，使填充满金属玻璃的结构图案完全暴露，并采用4000目砂纸对其表面进行抛光,如图4(b)所示；
5、对步骤4中抛光后的硅模板脱膜，脱膜采用6mol/L KOH溶液，在60℃下腐蚀2h，最后用去离子水清洗样品表面残留的KOH溶液，得到金属玻璃二维结构，如图4(c)所示。
6、施加固定约束于步骤5中制备的金属玻璃二维结构的固定端1，施加载荷使得金属玻璃二维结构的移动端2相对固定端1发生弹性变形，得到金属玻璃三维结构；
7、将步骤6中得到的金属玻璃三维结构浸入加热到过冷液相区的高温润滑油中一定时间进行快速结构驰豫，本例中温度为260℃，时间为3s，后取出，置于空气下冷却，即完成金属玻璃三维结构的定型；
8、去除步骤7中得到的金属玻璃三维结构的固定约束和外载荷约束，通过丙酮溶解其表面粘附的高温润滑油，采用无水乙醇和去离子水清洗2～3遍，即得到自支撑金属玻璃三维结构。如图4(d)所示。
实施例3，利用Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5块状金属玻璃制备线宽为100μm的平面直径为7mm三维弹簧结构，并用于低频振动测量中的实例：
1、在金属玻璃三维结构的固定端1和移动端2分别连接一根导电线3；
2、将一个质量块4固定到所述金属玻璃三维结构的移动端2，以组装成弹簧振子系统，如图6(a)所示；
3、将所述弹簧振子系统集成到一个磁性环境中，如图6(b)所示；
4、将弹簧振子放置到待测系统上，当待测系统激发弹簧振子振动时，金属玻璃三维结构切割磁感线产生电动势，通过电压表测试两根导电线3之间的电动势，获得待测系统的振动频率，如图6(c)所示。
实施例4，利用Zr35Ti30Cu7.5Be27.5块状金属玻璃制备线宽为5—100μm的平面直径为7mm三维结构，并用于力传感的实例：
1、将金属玻璃三维结构的固定端1和一个带中间通孔的基底5固定在一定；
2、将一根探针6穿过所述基底中间通孔和所述金属玻璃三维结构移动端2的中心孔并使之与金属玻璃三维结构移动端2的中心孔固定在一起，获得金属玻璃力传感器8，如图7(a)所示；
3、将所述金属玻璃力传感器8的基底与一驱动器相连接，如图7(b)所示；
4、驱动所述金属玻璃力传感器8移动使得所述探针6接触并施加载荷到待测物体，所述探针6相对所述固定基底之间的相对位移乘以所述金属玻璃三维结构的弹簧系数即获得施加到待测物体上的载荷大小，如图7(c)所示。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种制备自支撑金属玻璃三维结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)光刻法制备具有平面几何图案的硅模板；
(B)在金属玻璃的过冷液相温度区间把金属玻璃压入到所述硅模板，以复制所述硅模板表面的平面几何图案；
(C)去除多余的金属玻璃基底，仅保留流入到硅模板中的金属玻璃；
(D)去除硅模板，获得复制的金属玻璃二维结构；
(E)施加固定约束于所述金属玻璃二维结构的固定端，施加载荷使得金属玻璃二维结构的移动端相对固定端发生变形，以获得固定约束和外载荷约束下的金属玻璃三维结构；
(F)将所述约束的金属玻璃三维结构加热到其过冷液相温度区间进行应力松驰；
(G)将完成应力松弛的金属玻璃三维结构冷却，并去除固定约束和外载荷约束，获得自支撑金属玻璃三维结构。
2.如权力要求1所述的制备自支撑金属玻璃三维结构的方法，其特征在于，其中所述金属玻璃的过冷液相温度区间指温度大于玻璃转变温度而小于晶化温度的区间。
3.如权利要求1所述制备自支撑金属玻璃三维结构的方法，其特征在于，其中所述的去除多余的金属玻璃基底采用机械磨抛去除方法。
4.如权利要求1所述制备自支撑金属玻璃三维结构的方法，其特征在于，其中所述的去除硅模板采用化学腐蚀去除的方法。
5.一种如权利要求1-4任一项所制备的金属玻璃三维结构在低频振动测量中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(A)在金属玻璃三维结构的固定端和移动端分别连接一根导电线；
(B)将一个质量块固定到所述金属玻璃三维结构的移动端，以组装成弹簧振子系统；
(C)将所述弹簧振子系统集成到一个磁性环境中；
(D)将弹簧振子放置到待测系统上，当待测系统激发弹簧振子振动时，金属玻璃三维结构切割磁感线产生电动势，通过电压表测试两根导电线之间的电动势，获得待测系统的振动频率。
6.如权利要求5所述的金属玻璃三维结构在低频测量中的应用，其特征在于，其中所述金属玻璃三维结构与质量块通过胶粘组装到一起。
7.如权利要求5所述金属玻璃三维结构在低频测量中的应用，其特征在于，其中所述弹簧振子系统是通过固定在一个永磁铁表面形成所需的磁性环境。
8.一种如权利要求1-4任一项所制备的金属玻璃三维结构在力传感中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(A)将金属玻璃三维结构的固定端和一个带中间通孔的基底固定在一定；
(B)将一根探针穿过所述基底中间通孔和所述金属玻璃三维结构移动端的中心孔并使之与金属玻璃三维结构移动端的中心孔固定在一起，获得金属玻璃力传感器；
(C)将所述金属玻璃力传感器的基底与一驱动器相连接；
(D)驱动所述金属玻璃力传感器移动使得所述探针接触并施加载荷到待测物体，所述探针相对所述固定基底之间的相对位移乘以所述金属玻璃三维结构的弹簧系数即获得施加到待测物体上的载荷大小。
9.如权利要求8所述金属玻璃三维结构在力传感中的应用，其特征在于，其中所述金属玻璃三维结构移动端的中心孔与所述基底的中间通孔的孔中心连线与金属玻璃三维结构的对称轴重合。
10.如权利要求8所述金属玻璃三维结构在力传感中的应用，其特征在于，其中所述探针的直径与所述基底的中间通孔之间存在缝隙，且缝隙小于100微米。
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