WO2018132977A1 - L 型静电驱动微型机器人及其制造方法、控制方法 - Google Patents

L 型静电驱动微型机器人及其制造方法、控制方法 Download PDF

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WO2018132977A1
WO2018132977A1 PCT/CN2017/071560 CN2017071560W WO2018132977A1 WO 2018132977 A1 WO2018132977 A1 WO 2018132977A1 CN 2017071560 W CN2017071560 W CN 2017071560W WO 2018132977 A1 WO2018132977 A1 WO 2018132977A1
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photoresist layer
manufacturing
baking
layer
robot
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PCT/CN2017/071560
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English (en)
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Inventor
李晖
陈静
张南南
王磊
Original Assignee
中国科学院深圳先进技术研究院
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate

Definitions

  • the present invention relates to the field of micro-robot research technology, and in particular, to an L-type electrostatic drive micro-machine, a manufacturing method thereof, and a control method.
  • micro-robot is small in size, precise in device, and capable of fine operation. It has the characteristics of small inertia, high resonance frequency, short response time and high added value, which makes it broad in biomedical, industrial production, aerospace and other fields. Application prospects.
  • the driving method it mainly includes the following:
  • Micro motor drive type The micro motor rotation output is transformed and amplified by a reasonable drive mechanism.
  • the micro-robot motion is driven by a deceleration boosting mechanism and a motion conversion mechanism.
  • Micro motor drive can be full
  • the micro-robot requires autonomy, large bearing capacity and strong controllability. However, due to its complicated structure and the use of batteries to power micro-motors, it is not conducive to further miniaturization.
  • Pneumatic drive type Pneumatic drive is a flexible drive mode, which can directly use atmospheric pressure as a gas source to drive the micro-robot to generate displacement by means of inflation and exhaust.
  • Pneumatically driven energy supply is convenient and sufficient, but the micro-pneumatic drive system is difficult to achieve a higher degree of miniaturization in terms of structural complexity and battery power supply. Therefore, the pneumatically driven micro-robot is limited by its own volume. , limits its scope of use.
  • Shape memory alloy drive type The shape memory alloy drive has a high degree of miniaturization and a large driving force, and is suitable for a small space whose deformation is driven by external heating and cooling.
  • the shape memory alloy is a non-linear material, which is mainly driven by deformation. The period of cooling the memory alloy by external heating is long, which causes the micro-robot to have slow motion and low accuracy.
  • Electromagnetic drive type When an external excitation magnetic field is added, the robot directly converts the magnetic field energy into a linear motion displacement or a circumferential rotation angle of the mechanism under the action of a magnetic field force.
  • the electromagnetic driving method has the advantages of simple structure, large output displacement, and the like, but the driving force is small, the energy consumption for forming the driving electromagnetic field is high, and the control is complicated.
  • Piezoelectric drive type Using the piezoelectric effect of the material, the piezoelectric material is polarized in the electric field, and the deformation of the center of the charge causes the deformation of the material to drive the movement of the micro-robot.
  • the piezoelectric material has the advantages of small volume, high frequency response and easy control, but its driving displacement is small, the required driving voltage is large, and power is also required in the self-locking and holding process, so that the energy consumption of the piezoelectric driving type micro-robot Higher.
  • Thermally driven type The driving is realized by using a material having a large coefficient of thermal expansion by utilizing the thermal expansion effect of the material.
  • the thermal driving method has the advantages of simple structure and large driving force.
  • it is necessary to move the external heat source correspondingly with the micro-robot, which is inconvenient for powering the micro-robot, when the heat source and the micro-robot If the distance is far apart, the micro-robot cannot obtain enough driving energy.
  • micro-robots of various driving forms in the prior art cannot meet the requirements of miniaturization, large driving force, high frequency response, convenient and simple power supply, small energy consumption, and precise control, so that Micro robots are suitable for a wider range.
  • An object of the present invention is to provide an L-type electrostatic driving micro-robot, a manufacturing method thereof and a control method thereof, aiming at solving the problem that the micro-robot in the prior art cannot meet miniaturization, large driving force, high frequency response, and the like.
  • the problem is simple, low energy consumption, and precise control requirements.
  • the technical solution of the present invention is to provide a method for manufacturing an L-type electrostatically driven micro-machine, comprising the following steps:
  • Step S10 preparing a sacrificial layer
  • Step S20 coating a first photoresist layer on the sacrificial layer, and performing a patterned exposure lithography process on the first photoresist layer by using the first mask aligner and ultraviolet light;
  • Step S30 coating a second photoresist layer on the first photoresist layer, and performing a patterned exposure lithography process on the second photoresist layer by using a second mask aligner and ultraviolet light;
  • Step S40 developing the exposed regions of the first photoresist layer and the second photoresist layer, and chemically removing the unexposed regions of the first photoresist layer and the second photoresist layer. Exposing the area such that the remaining first photoresist layer and the second photoresist layer together form an L-type structure;
  • Step S50 sputtering depositing a conductive metal layer on the surface of the L-type structure away from the sacrificial layer, and removing the sacrificial layer
  • step S20 after the first photoresist layer is coated, the first photoresist layer is first heated before the pattern exposure lithography process is performed. bake.
  • step S20 the second heating bake is performed after the pattern exposure lithography process is completed.
  • step S30 after the second photoresist layer is plated, the second photoresist layer is completely heated before the pattern exposure lithography process is performed. bake.
  • step S30 the fourth heating bake is performed after the pattern exposure lithography process is completed on the second photoresist layer.
  • the first heating bake, the second heat bake, the third heat bake, and the fourth heat bake each comprise two baking stages: heating in the first baking stage The temperature ranges from 60 ° C to 70 ° C, and the heating temperature in the second baking stage ranges from 90 ° C to 100 ° C; wherein, the first heating bake and the third heating
  • the roasting period of the first baking stage of baking ranges from 2 min to 3 min, and the roasting period of the second baking stage of the first heating bake and the third heating bake is from 4 min to 6 min.
  • the roasting period of the two baking stages of the second heating bake and the fourth heating bake is 2 min to 3 min.
  • the thickness range of the first photoresist layer and the thickness of the second photoresist layer are respectively ranging from 30 ⁇ m to 40 ⁇ m
  • the conductive metal layer has a thickness ranging from 180 nm to 220 nm.
  • the meantime between the turns of the pattern exposure lithography process of the first photoresist layer and the pattern exposure lithography process of the second photoresist layer ranges from 30 s to 40 s.
  • an L-type electrostatically driven micro-robot comprising an L-shaped structure and a conductive portion, the L-shaped structure being manufactured by the aforementioned manufacturing method
  • the L-type structure is disposed on the conductive portion, wherein the L-type structure comprises a first photoresist layer, a second photoresist layer and a conductive metal layer; the first photoresist layer and the second photoresist layer
  • the first photoresist layer and the second photoresist layer are formed in an L shape, and the conductive metal layer covers the first photoresist layer and the second photoresist layer.
  • a control method for an L-type electrostatically driven micro-robot is provided, the control method for controlling the aforementioned L-type electrostatically driven robot to perform motion; and the L-type electrostatically driven micro-robot
  • the type structure is placed on the conductive portion of the L-type electrostatically driven micro-robot, and both ends of the L-shaped structure are respectively in contact with the surface of the conductive portion; a voltage is applied to the conductive portion, and the applied voltage is oscillated to control L
  • the type structure is deformed and moved.
  • the manufacturing method is used to manufacture a molded L-shaped structure, that is, a moving portion of the L-type electrostatically driven micro-robot, which can deform the L-shaped structure by applying static electricity to the formed L-shaped structure, and generate deformation.
  • the process of restoring the original shape is implemented.
  • the manufacturing method provided by the present invention can not only quickly and quantitatively produce the L-shaped structure, but also has high molding efficiency and high yield, and the L-shaped structure formed by the manufacturing as the moving part of the micro-robot can effectively solve the prior art.
  • the medium and micro robots cannot meet the technical defects of miniaturization, large driving force, high frequency response, convenient and simple power supply, low energy consumption, and precise control. Brief description of the drawing
  • FIG. 1 is a schematic structural view showing a manufacturing process of an embodiment of a method of manufacturing an L-type electrostatically driven micro-robot according to the present invention
  • FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of a control process of an embodiment of a control method of an L-type electrostatically driven micro-robot according to the present invention.
  • Step S10 preparing a sacrificial layer 10
  • Step S20 coating the first photoresist layer 20 on the sacrificial layer 10, performing a patterned exposure lithography process on the first photoresist layer 20 by using the first mask aligner 30 and ultraviolet light;
  • Step S30 coating a second photoresist layer 40 on the first photoresist layer 20, using the second mask aligner 50. And performing a patterned exposure lithography process on the second photoresist layer 40 by ultraviolet light;
  • Step S40 developing the exposed regions of the first photoresist layer 20 and the second photoresist layer 40, and chemically removing the unexposed regions of the first photoresist layer 20 and the second photoresist.
  • Step S50 Sputter depositing a conductive metal layer 60 on the surface of the L-type structure 100 away from the sacrificial layer 10, and removing the sacrificial layer 10.
  • the manufacturing method is used to manufacture the formed L-shaped structure 100, that is, the moving portion of the L-type electrostatically driven micro-robot, which can deform the L-shaped structure 100 by applying static electricity to the formed L-shaped structure 100, causing deformation and The process of restoring the original shape implements the movement.
  • the manufacturing method provided by the present invention can not only quickly and quantitatively produce the L-shaped structure 100, but also has high molding efficiency and high yield, and the L-shaped structure 100 formed as a moving part of the micro-robot can effectively solve the present problem.
  • micro-robots cannot meet the technical defects of miniaturization, large driving force, high frequency response, convenient and simple power supply, low energy consumption, and precise control.
  • the sacrificial layer 10 applied in this embodiment includes a first sacrificial layer 11 and a second sacrificial layer 12, wherein the first sacrificial layer 11 is made of silicon material and the second sacrificial layer 12 is coated.
  • a first photoresist layer 20 is applied to the Omnicoat sacrificial layer.
  • the thickness range of the first photoresist layer 20 and the thickness of the second photoresist layer 40 are respectively 30 ⁇ m to 40 ⁇ m, that is, the thickness of the first photoresist layer 20 formed by plating and the second layer.
  • the thickness of the photoresist layer 40 can be 30 ⁇ m
  • 31 ⁇ , 32 ⁇ , 33 ⁇ , 34 ⁇ , 35 ⁇ , 36 ⁇ , 37 ⁇ , 38 ⁇ , 39 ⁇ or 40 ⁇ preferably have a thickness of 35 ⁇ .
  • the thickness of the conductive metal layer 60 ranges from 180 nm to 220 nm, and the thickness of the conductive metal layer 60 may be 180 nm, 185 nm, 190 nm, 195 nm, 200 nm, 205 nm, 210 nm, 2 15 nm or 220 nm, and the preferred conductive metal layer 60 has a thickness of 200 nm. .
  • the first photoresist layer 20 and the second photoresist layer 40 are formed by molding a SU-8 photoresist material, and the first photoresist is separately coated by using a spin coating device.
  • the spin coating speed of the spin coating apparatus ranges from 400 to 600 rpm (gradual rate is 100)
  • the range of spin coating is 3-8s, then the spin speed is increased to 2400-2600rpm (gradual rate is 100 rpm), and the spin coating time is 30s.
  • the conductive metal layer 60 is made of a metal copper material.
  • step S20 after the first photoresist layer 20 is completed, the first photoresist layer 20 is completely coated. Performing the first heating bake, and then performing the patterned exposure lithography process on the first photoresist layer 20, and performing the second heating bake after the pattern exposure lithography process is completed, and baking in the second time. After the baking is completed, the first photoresist layer 20 is cooled to room temperature.
  • step S30 after the second photoresist layer 40 is completely plated, the second photoresist layer 40 after the coating is baked for a third time, and then the second photoresist is applied.
  • the layer 40 is subjected to a pattern exposure lithography process, and the second photoresist layer 40 is again subjected to a fourth heat baking after the pattern exposure lithography process.
  • the first heating baking, the second heating baking, the third heating baking, and the fourth heating baking each include two baking stages: heating temperature of the first baking stage
  • the range is from 60 ° C to 70 ° C, that is, the heating temperature in the first baking stage may be 60 ° C, 61. C, 62. C, 63 ° C, 64.
  • the second baking stage heating temperature range of 90 ° C to 100 ° C That is, the heating temperature in the second baking stage may be 90 ° C, 91 ° C, 92 ° C, 93 ° C, 94 ° C, 95 ° C, 96 ° C, 97 ° C, 98 ° C, 99 ° C Or 100 ° C, preferably 95 ° C; wherein, the first baking bake and the third bake phase of the first baking stage of the roasting range of 2min to 3min, the best use of baking ⁇ The interval between 2 min and 2.5 min; the second baking phase of the first heating bake and the third bake bake is between 4 min and 6 min, and the best baking time is 5 min. It can also be 4.5 min or 5.5 min; the baking time between the two baking stages of the second heating bake and the fourth heating bake is 2 min to 3 min
  • the inter-turn length of the ultraviolet exposure lithography is selected, specifically, the first lithography Film layer 20 for pattern exposure lithography
  • the inter-turn range of the processed turn-on and the patterned exposure lithography of the second photoresist layer 40 is 30s to 40s, that is, the turn of the patterned exposure lithography process can be 30 s, 31 s, 32 s. 33 s, 34 s, 35 s, 36 s, 37 s, 38 s, 39 s ⁇ 40 s, preferably 35 s.
  • a control method of an L-type electrostatically driven micro-robot includes an L-shaped structure and a conductive portion 200, which is an L-shaped structure 100 manufactured by the foregoing manufacturing method; when it is required to control a moving portion of the L-type electrostatically driven micro-robot to move Then, the L-shaped structure 100 is placed on the conductive portion 200, and both ends of the L-shaped structure 100 are respectively in contact with the surface of the conductive portion 200; then a voltage is applied to the conductive portion 200, and the applied voltage is oscillated. The L-shaped structure 100 is controlled to be deformed to move. As shown in FIG.
  • the L-shaped structure 100 When the voltage applied to the conductive portion 200 returns to the normal state, the L-shaped structure 100 also returns to the original shape, and the initial position of the placement before the oscillation is generated with respect to the applied voltage, and the original shape of the L-shaped structure is restored after the deformation.
  • the position of 100 advances by ⁇ displacement amount with respect to the initial position.
  • an L-type electrostatically driven micro-robot includes an L-shaped structure and a conductive portion 200.
  • the L-shaped structure is an L-shaped structure 100 made by the aforementioned manufacturing method, and the L-shaped structure 100 is placed on the conductive portion 200 (after the sacrificial layer is to be peeled off)
  • the free-standing L-shaped structure 100 is naturally air-dried and then transferred to the conductive portion 200), wherein the L-type structure 100 includes a first photoresist layer 20, a second photoresist layer 40, and a conductive metal layer 60;
  • the photoresist layer 20 and the second photoresist layer 40 are sequentially stacked, and the first photoresist layer 20 and the second photoresist layer 40 form an L shape, and the conductive metal layer 60 covers the first photoresist layer. 20 and the second photoresist layer 40, that is, the L-shaped structure 100 placed as shown in
  • the L-type electrostatically driven micro-robot has a simple structure and a simple manufacturing method, and the first photoresist layer 20 and the second photoresist layer 40 are photolithographically exposed by ultraviolet exposure. And depositing a copper layer (ie, conductive metal layer 60), which can realize mass production at one time, and improve the daytime efficiency and cost benefit of manufacturing.
  • the quality of the L-type electrostatically driven micro-robot generated by the above manufacturing method is good. it is good.
  • the reliable electrostatic force drives the micro-robot to move according to a specific route.
  • the maximum step size of the micro-robot It can reach ⁇ . ⁇ , the average speed reaches 30 (Vm/min, which makes these micro-robots adapt to a variety of complex working environments, such as non-destructive testing of aero-engine, environmental monitoring and cell operation, etc., and the energy consumption is relatively high.
  • the invention is greatly reduced in terms of technology and energy saving.

Landscapes

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  • Micromachines (AREA)

Abstract

L型静电驱动微型机器人及其制造方法、控制方法，并且该制造方法包括以下步骤：步骤S10：制备牺牲层（10）；步骤S20：制造处理第一光刻胶层（20）；步骤S30：制造处理第二光刻胶层（40）；步骤S40：对第一光刻胶层（20）、第二光刻胶层（40）的曝光区域进行显影，并除去第一光刻胶层（20）和第二光刻胶层（40）的未曝光区域，形成L型结构（100）；步骤S50：对远离牺牲层（10）的L型结构（100）的表面溅射沉积导电金属层（60），并除去牺牲层（10）。所制造的微型机器人解决了现有技术中微型机器人无法同时满足微型化、驱动力大、频率响应高、供能方便简单、耗能小、且控制精确的要求的问题。

Description

发明名称: L型静电驱动微型机器人及其制造方法、 控制方法 技术领域
[0001] 本发明涉及微型机器人研究技术领域， 具体地， 涉及一种 L型静电驱动微型机 器人及其制造方法、 控制方法。
背景技术
[0002] 随着对微观系统的不断认知， 在生物医学、 分析化学和集成电路制造等领域， 迫切需要人们幵发一些工作对象是微小物体或其位姿微小改变可控的微细作业 技术。 然而， 传统的微操作系统在工作空间、 运动精度和作业安全等表现出相 应的局限性， 无法满足现代的生产要求。 例如航空发动机无损探伤、 环境监测 和细胞操作要求严格避免污染等。
[0003] 微型化是近十几年工程技术发展领域的一个重要方向。 得益于微精密加工和微 电子等关键技术的突破， 研究人员对微型机器人的研究取得了一系列重大成果 。 微型机器人结构尺寸微型， 器件精密， 可进行微细操作， 具有惯性小、 谐振 频率高、 响应吋间短和附加值高等特点， 使其在生物医学、 工业生产、 航空航 天等各方面显示出广阔的应用前景。
[0004] 目前， 微型机器人的工作环境趋于复杂和不确定性， 许多吋候要求无触点无线 驱动， 特别是在严格控制污染的场合下， 例如细胞或其他生物样本的操作， 同 吋微型机器人还需具备多自由度， 工作空间大， 轨迹精确可控等综合能力， 例 如药物的靶向传递， 芯片实验室微结构的运输和装配。
[0005] 由于目前还没有幵发出高容量的微型电池， 所以用电池供能， 一方面会使机器 人的尺寸增大， 另一方面也无法满足长吋间作业的需要。 若微型机器人能对某 一个外场敏感或者从外场吸收能量， 那么就可以获得充足的能源。
[0006] 研究人员目前已幵发出各种各样的微型机器人来满足生产生活需求。 按驱动方 式划分， 主要包括以下几种：
[0007] 1.微型电机驱动型： 依靠合理的驱动机构将微型电机旋转输出进行变换和放大 。 利用减速增力机构和运动转化机构驱动微型机器人运动。 微型电机驱动可满 足微型机器人自主性要求， 承载力大， 可控性强， 但由于结构复杂， 并且利用 电池对微型电机进行供能， 不利于进一步小型化。
[0008] 2.气压驱动型： 气压驱动是一种柔性驱动方式， 可以直接利用大气压作为气源 ， 通过充气、 排气的方式带动微型机器人产生位移。 气压驱动能量供应方便而 充足， 但是微型气压驱动系统无论是从结构复杂程度方面还是应用电池供能方 面均很难实现较高程度的微型化， 因而气压驱动型微型机器人受限于自身体积 过大， 限制了它的使用范围。
[0009] 3.形状记忆合金驱动型： 形状记忆合金驱动微型化程度高， 驱动力大， 适宜于 微小空间， 其变形是通过外界加热和冷却使结构产生驱动。 形状记忆合金是一 种非线性之后的材料， 主要通过形变来驱动， 通过外界加热冷却记忆合金的周 期较长， 造成微型机器人运动速度慢、 精确度低等缺点。
[0010] 4.电磁驱动型： 当加入外加激励磁场吋， 机器人在磁场力作用下将磁场能直接 转化为机构的直线运动位移或圆周旋转角度。 电磁驱动方式具有结构简单、 输 出位移大等优点， 但是其驱动力小、 形成驱动电磁场所需耗能高、 并且控制复 杂。
[0011] 5.压电驱动型： 利用材料的压电效应， 压电材料在电场中发生极化吋， 会因电 荷中心的位移导致材料变形驱动微型机器人运动。 采用压电材料驱动具有体积 小、 频率响应高、 易于控制的优点， 但是其驱动位移小， 所需驱动电压大， 在 自锁保持过程中也需要供电， 使得压电驱动型微型机器人的耗能较高。
[0012] 6.热力驱动型： 利用材料的热膨胀效应， 通过采用热膨胀系数大的材料来实现 驱动。 热驱动方式具有结构简单、 驱动力大的优点， 但是在对微型机器人驱动 的过程中， 需要将外部热源相应地与微型机器人同吋移动， 导致对微型机器人 供能不方便， 当热源与微型机器人相距较远吋， 则微型机器人无法获得足够的 驱动能量。
[0013] 针对现有技术中的各种驱动形式的微型机器人， 均无法同吋满足微型化、 驱动 力大、 频率响应高、 供能方便简单、 耗能小、 且控制精确的要求， 以使微型机 器人适用于更广泛的范围。
技术问题 [0014] 本发明的目的在于提供一种 L型静电驱动微型机器人及其制造方法、 控制方法 ， 旨在解决现有技术中微型机器人无法同吋满足微型化、 驱动力大、 频率响应 高、 供能方便简单、 耗能小、 且控制精确的要求的问题。
问题的解决方案
技术解决方案
[0015] 为解决上述技术问题， 本发明的技术方案是： 提供一种 L型静电驱动微型机器 人的制造方法， 包括以下步骤：
[0016] 步骤 S10: 制备牺牲层；
[0017] 步骤 S20: 在牺牲层上涂镀第一光刻胶层， 利用第一掩模对准器并通过紫外光 对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
[0018] 步骤 S30: 在第一光刻胶层上涂镀第二光刻胶层， 利用第二掩模对准器并通过 紫外光对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理；
[0019] 步骤 S40: 对第一光刻胶层、 第二光刻胶层的曝光区域进行显影， 并采用化学 方法除去第一光刻胶层的未曝光区域和第二光刻胶层的未曝光区域， 使得剩余 的第一光刻胶层和第二光刻胶层共同形成 L型结构；
[0020] 步骤 S50: 对远离牺牲层的 L型结构的表面溅射沉积导电金属层， 并除去牺牲层
[0021] 可选地， 在步骤 S20中， 在涂镀完成第一光刻胶层之后， 在进行图形化曝光光 刻处理之前， 对涂镀完成的第一光刻胶层进行第一次加热烘烤。
[0022] 可选地， 在步骤 S20中， 在图形化曝光光刻处理完成之后进行第二次加热烘烤
， 并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶层冷却至室温。
[0023] 可选地， 在步骤 S30中， 在涂镀完成第二光刻胶层之后， 在进行图形化曝光光 刻处理之前， 对涂镀完成的第二光刻胶层进行第三次加热烘烤。
[0024] 可选地， 在步骤 S30中， 在对第二光刻胶层完成图形化曝光光刻处理之后进行 第四次加热烘烤。
[0025] 可选地， 第一次加热烘烤、 第二次加热烘烤、 第三次加热烘烤以及第四次加热 烘烤均包括两个烘烤阶段： 第一个烘烤阶段的加热温度范围为 60°C至 70°C， 第二 烘烤阶段的加热温度范围为 90°C至 100°C; 其中， 第一次加热烘烤与第三次加热 烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤吋间范围为 2min至 3min， 第一次加热烘烤与第三 次加热烘烤的第二个烘烤阶段的烘烤吋间范围为 4min至 6min， 第二次加热烘烤 与第四次加热烘烤的两个烘烤阶段的烘烤吋间范围均为 2min至 3min。
[0026] 可选地， 第一光刻胶层的厚度范围以及第二层光刻胶层的厚度范围分别为 30μ m至 40μηι°
[0027] 可选地， 导电金属层的厚度范围为 180nm至 220nm。
[0028] 可选地， 对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的吋间以及对第二光刻胶层 进行图形化曝光光刻处理的吋间均范围为 30s至 40s。
[0029] 根据本发明的另一方面， 提供了一种 L型静电驱动微型机器人， 该 L型静电驱动 微型机器人包括 L型结构与导电部， 该 L型结构为前述的制造方法所制成的 L型结 构， L型结构放置在导电部上， 其中， L型结构包括第一光刻胶层、 第二光刻胶 层以及导电金属层； 第一光刻胶层与第二光刻胶层依次叠置， 并且第一光刻胶 层与第二光刻胶层形成 L形状， 导电金属层覆盖在第一光刻胶层与第二光刻胶层 上。
[0030] 根据本发明的又一方面， 提供了一种 L型静电驱动微型机器人的控制方法， 该 控制方法用于控制前述的 L型静电驱动机器人进行运动； 将 L型静电驱动微型机 器人的 L型结构放置在 L型静电驱动微型机器人的导电部上， 且使 L型结构的两端 部分别与导电部的表面接触； 在导电部上加载电压， 并使所加载的电压震荡， 以控制 L型结构产生形变而移动。
发明的有益效果
有益效果
[0031] 本发明中， 应用该制造方法制造成型的 L型结构， 即该 L型静电驱动微型机器人 的运动部分， 能够通过对成型的 L型结构施加静电使得 L型结构产生形变， 在产 生形变与恢复原形状的过程实现移动。 通过本发明提供的制造方法不仅能够快 捷地对 L型结构进行量化生产， 而且成型效率高， 良品率高， 而且制造形成的 L 型结构作为微型机器人的运动部分， 能够有效地解决了现有技术中微型机器人 无法同吋满足微型化、 驱动力大、 频率响应高、 供能方便简单、 耗能小、 且控 制精确的要求的技术缺陷。 对附图的简要说明
附图说明
[0032] 图 1是本发明的 L型静电驱动微型机器人的制造方法的实施例的制造过程的结构 示意图；
[0033] 图 2是本发明的 L型静电驱动微型机器人的控制方法的实施例的控制过程的结构 示意图。
[0034] 在附图中：
[0035] 10、 牺牲层； 11、 第一牺牲层；
[0036] 12、 第二牺牲层； 20、 第一光刻胶层;
[0037] 30、 第一掩模对准器； 40、 第二光刻胶层;
[0038] 50、 第二掩模对准器； 60、 导电金属层；
[0039] 100、 L型结构； 200、 导电部。
本发明的实施方式
[0040] 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例 ， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明， 并不用于限定本发明。
[0041] 需要说明的是， 当元件被称为 "固定于"或"设置于"另一个元件， 它可以直接在 另一个元件上或者间接在该另一个元件上。 当一个元件被称为"连接于 "另一个元 件， 它可以是直接连接到另一个元件或者间接连接至该另一个元件上。
[0042] 还需要说明的是， 本实施例中的左、 右、 上、 下等方位用语， 仅是互为相对概 念或是以产品的正常使用状态为参考的， 而不应该认为是具有限制性的。
[0043] 如图 1所示， 在本发明的 L型静电驱动微型机器人的制造方法的实施例中， 包括 以下步骤：
[0044] 步骤 S10: 制备牺牲层 10;
[0045] 步骤 S20: 在牺牲层 10上涂镀第一光刻胶层 20， 利用第一掩模对准器 30并通过 紫外光对第一光刻胶层 20进行图形化曝光光刻处理；
[0046] 步骤 S30: 在第一光刻胶层 20上涂镀第二光刻胶层 40， 利用第二掩模对准器 50 并通过紫外光对第二光刻胶层 40进行图形化曝光光刻处理；
[0047] 步骤 S40: 对第一光刻胶层 20、 第二光刻胶层 40的曝光区域进行显影， 并采用 化学方法除去第一光刻胶层 20的未曝光区域和第二光刻胶层 40的未曝光区域， 使得剩余的第一光刻胶层 20和第二光刻胶层 40共同形成 L型结构 100;
[0048] 步骤 S50: 对远离牺牲层 10的 L型结构 100的表面溅射沉积导电金属层 60， 并除 去牺牲层 10。
[0049] 应用该制造方法制造成型的 L型结构 100， 即该 L型静电驱动微型机器人的运动 部分， 能够通过对成型的 L型结构 100施加静电使得 L型结构 100产生形变， 在产 生形变与恢复原形状的过程实现移动。 通过本发明提供的制造方法不仅能够快 捷地对 L型结构 100进行量化生产， 而且成型效率高， 良品率高， 而且制造形成 的 L型结构 100作为微型机器人的运动部分， 能够有效地解决了现有技术中微型 机器人无法同吋满足微型化、 驱动力大、 频率响应高、 供能方便简单、 耗能小 、 且控制精确的要求的技术缺陷。
[0050] 优选地， 本实施例所应用的牺牲层 10包括第一牺牲层 11和第二牺牲层 12， 其中 第一牺牲层 11采用硅材料制造成硅片， 第二牺牲层 12为涂镀在硅片上的 Omnicoat 牺牲层。 然后， 在 Omnicoat牺牲层涂镀第一光刻胶层 20。 此外， 涂镀形成的第一 光刻胶层 20厚度范围以及第二层光刻胶层 40的厚度范围分别为 30μηι至 40μηι， 即 涂镀形成的第一光刻胶层 20厚度以及第二层光刻胶层 40的厚度分别可以是 30μηι
、 31μηι、 32μηι、 33μηι、 34μηι、 35μηι、 36μηι、 37μηι、 38μηι、 39μηι或 40μηι 优选厚度为 35μηι。 并且， 导电金属层 60的厚度范围为 180nm至 220nm， 导电金属 层 60的厚度可以是 180nm、 185nm、 190nm、 195nm、 200nm、 205nm、 210nm、 2 15nm或 220nm， 优选的导电金属层 60厚度为 200nm。
[0051] 在本实施例中， 第一光刻胶层 20和第二光刻胶层 40为 SU-8光刻胶材料成型制得 ， 在利用旋涂设备分别进行涂镀第一光刻胶层 20与第二光刻胶层 40的过程中， 旋涂设备的旋涂速度范围为 400-600rpm (缓变率为 100
rpm) ， 旋涂吋间范围为 3-8s， 接着旋涂速度提高到 2400-2600rpm (缓变率为 100 rpm) ， 旋涂吋间为 30s。
[0052] 在第一光刻胶层 20、 第二光刻胶层 40应用紫外光进行图形化曝光光刻处理的过 程中， 紫外光的曝光能量为 130mJ/cm 2。
[0053] 在采用化学方法除去 L型结构 100之外的第一光刻胶层 20、 第二光刻胶层 40之前
， 还需要将整个涂镀、 烘烤、 曝光完成后的结构件浸在 SU-8显影剂中进行清楚 显影， 使得曝光光刻处理得到 L型结构 100清晰显现出来。
[0054] 为降低制造成本， 并且能够保证好 L型结构 100上的导电金属层 60的导电性， 因 而导电金属层 60采用金属铜材质进行制造。
[0055] 在本实施例的制造 L型静电驱动微型机器人的制造方法中， 在步骤 S20中， 在涂 镀完成第一光刻胶层 20之后， 对涂镀完成的第一光刻胶层 20进行第一次加热烘 烤， 然后再对第一光刻胶层 20进行图形化曝光光刻处理， 并且在图形化曝光光 刻处理完成之后进行第二次加热烘烤， 并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶 层 20冷却至室温。
[0056] 接着， 在步骤 S30中， 在涂镀完成第二光刻胶层 40之后， 对涂镀完成的第二光 刻胶层 40进行第三次加热烘烤， 然后对第二光刻胶层 40进行图形化曝光光刻处 理， 并且需要在图形化曝光光刻处理之后再次对第二光刻胶层 40进行第四次加 热烘烤。
[0057] 具体地， 第一次加热烘烤、 第二次加热烘烤、 第三次加热烘烤以及第四次加热 烘烤均包括两个烘烤阶段： 第一个烘烤阶段的加热温度范围为 60°C至 70°C， 即第 一个烘烤阶段的加热温度可以为 60°C、 61。C、 62。C、 63°C、 64。C、 65°C、 66°C、 67°C、 68°C、 69°C或 70°C， 优选为 65°C， 第二烘烤阶段的加热温度范围为 90°C至 100°C， 即第二烘烤阶段的加热温度可以为 90°C、 91°C、 92°C、 93°C、 94°C、 95 °C、 96°C、 97°C、 98°C、 99°C或 100°C， 优选为 95°C; 其中， 第一次加热烘烤与 第三次加热烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤吋间范围为 2min至 3min， 最优采用烘 烤吋间为 2min， 还可以是 2.5min; 第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第二个烘 烤阶段的烘烤吋间范围为 4min至 6min， 最优采用烘烤吋间为 5min， 还可以是 4.5 min或 5.5min; 第二次加热烘烤与第四次加热烘烤的两个烘烤阶段的烘烤吋间范 围均为 2min至 3min， 最优采用烘烤吋间为 2min， 还可以是 2.5min。
[0058] 根据本实施例中的第一光刻胶层 20与第二光刻胶层 40的厚度， 选择对两者进行 紫外光曝光光刻的吋间长度， 具体地， 对第一光刻胶层 20进行图形化曝光光刻 处理的吋间以及对第二光刻胶层 40进行图形化曝光光刻处理的吋间范围均为 30s 至 40s， 即图形化曝光光刻处理的吋间可以为 30 s、 31 s、 32 s、 33 s、 34 s、 35 s 、 36 s、 37 s、 38 s、 39 s^40 s, 优选为 35s。
[0059] 根据本发明的另一方面， 提供了一种 L型静电驱动微型机器人的控制方法。 该 L 型静电驱动微型机器人包括 L型结构与导电部 200， 该 L型结构为采用前述制造方 法制成的 L型结构 100; 当需要控制该 L型静电驱动微型机器人的运动部分进行移 动吋候， 则将 L型结构 100放置在导电部 200上， 且使 L型结构 100的两端部分别与 导电部 200的表面接触； 然后在导电部 200上加载电压， 并使所加载的电压震荡 ， 以控制 L型结构 100产生形变而移动。 如图 2所示， 在初始状态下， 导电部 200 的上下端侧由于所加电压并未产生震荡， 因而上下端并未产生静电电势差 （此 吋向下端电势均为 V。） ， 此吋 L型结构 100并未产生形变， L型结构 100即为原形 状。 当对导电部 20所加电压发生震荡吋候， 导电部 200的上下端侧产生静电电势 差 （V +-V -) ， 由于 L型结构 100上的导电金属层 60感应到静电电势差的作用而产 生被导电部 200吸附的形变。 当导电部 200上所加电压回复正常吋候， L型结构 10 0也同吋回复原形状， 相对于所加电压产生震荡之前的放置的初始位置， 此吋形 变后恢复原形状的 L型结构 100的位置相对于初始位置前进了 Δχ位移量。
[0060] 根据本发明的又一方面， 提供了一种 L型静电驱动微型机器人。 该 L型静电驱动 微型机器人包括 L型结构与导电部 200， 该 L型结构为前述的制造方法所制成的 L 型结构 100， L型结构 100放置在导电部 200上 （待剥离牺牲层后， 该独立式的 L型 结构 100自然风干然后转移到导电部 200上） ， 其中， L型结构 100包括第一光刻 胶层 20、 第二光刻胶层 40以及导电金属层 60; 第一光刻胶层 20与第二光刻胶层 4 0依次叠置， 并且第一光刻胶层 20与第二光刻胶层 40形成 L形状， 导电金属层 60 覆盖在第一光刻胶层 20与第二光刻胶层 40上， 即如图 1所示放置的 L型结构 100， 导电金属层 60覆盖在此吋的 L型结构 100的与水平面平行的所有上表面。
[0061] 相比于现有技术中一般的微型机器人， 该 L型静电驱动微型机器人结构简单， 制作方法容易， 通过紫外线曝光光刻的第一光刻胶层 20、 第二光刻胶层 40以及 沉积铜层 （即导电金属层 60) ， 可一次性实现批量生产， 提高了生产制造的吋 间效益和成本效益。 应用上述制造方法生成的 L型静电驱动微型机器人的质量良 好。 同吋， 由于对导电部 200的电压加载方式简单， 即只需控制震荡电压值， 就 可靠静电力驱动微型机器人按照特定路线运动， 当加载 1000V、 50Hz的电压吋， 该微型机器人的最大步长可达到 Ο.ΐμηι, 平均速度达到了 30(Vm/min， 使得这些 微型机器人能够适应各种各样的复杂工作环境， 例如航空发动机无损探伤、 环 境监测和细胞操作等等， 并且耗能相对现有技术而言大大降低， 节省能耗。 以上仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范 围之内。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤 S10: 制备牺牲层；
步骤 S20: 在牺牲层上涂镀第一光刻胶层， 利用第一掩模对准器并通 过紫外光对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理； 步骤 S30: 在第一光刻胶层上涂镀第二光刻胶层， 利用第二掩模对准 器并通过紫外光对第二光刻胶层进行图形化曝光光刻处理； 步骤 S40: 对第一光刻胶层、 第二光刻胶层的曝光区域进行显影， 并 采用化学方法除去第一光刻胶层的未曝光区域和第二光刻胶层的未曝 光区域， 使得剩余的第一光刻胶层和第二光刻胶层共同形成 L型结构 步骤 S50: 对远离牺牲层的 L型结构的表面溅射沉积导电金属层， 并 除去牺牲层。
[权利要求 2] 如权利要求 1所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 在步骤 S20中， 在涂镀完成第一光刻胶层之后， 在进行图形化曝 光光刻处理之前， 对涂镀完成的第一光刻胶层进行第一次加热烘烤。
[权利要求 3] 如权利要求 2所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 在步骤 S20中， 在图形化曝光光刻处理完成之后进行第二次加热 烘烤， 并在第二次烘烤完成之后将第一光刻胶层冷却至室温。
[权利要求 4] 如权利要求 3所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 在步骤 S30中， 在涂镀完成第二光刻胶层之后， 在进行图形化曝 光光刻处理之前， 对涂镀完成的第二光刻胶层进行第三次加热烘烤。
[权利要求 5] 如权利要求 4所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 在步骤 S30中， 在对第二光刻胶层完成图形化曝光光刻处理之后 进行第四次加热烘烤。
[权利要求 6] 如权利要求 5所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 第一次加热烘烤、 第二次加热烘烤、 第三次加热烘烤以及第四次 加热烘烤均包括两个烘烤阶段： 第一个烘烤阶段的加热温度范围为 60 °C至 70°C， 第二烘烤阶段的加热温度范围为 90°C至 100°C; 其中， 第 一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第一个烘烤阶段的烘烤吋间范围为 2min至 3min， 第一次加热烘烤与第三次加热烘烤的第二个烘烤阶段 的烘烤吋间范围为 4min至 6min， 第二次加热烘烤与第四次加热烘烤 的两个烘烤阶段的烘烤吋间范围均为 2min至 3min。
如权利要求 1至 6中任一项所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法 ， 其特征在于， 第一光刻胶层的厚度范围以及第二层光刻胶层的厚度 范围分别为 30μηι至 40μηι。
如权利要求 7所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 导电金属层的厚度范围为 180nm至 220nm。
如权利要求 7所述的 L型静电驱动微型机器人的制造方法， 其特征在 于， 对第一光刻胶层进行图形化曝光光刻处理的吋间以及对第二光刻 胶层进行图形化曝光光刻处理的吋间均范围为 30s至 40s。
L型静电驱动微型机器人， 其特征在于， 该 L型静电驱动微型机器人 包括 L型结构与导电部， 该 L型结构为权利要求 1至 9中任一项所述的 制造方法所制成的 L型结构， L型结构放置在导电部上， 其中， L型结 构包括第一光刻胶层、 第二光刻胶层以及导电金属层； 第一光刻胶层 与第二光刻胶层依次叠置， 并且第一光刻胶层与第二光刻胶层形成 L 形状， 导电金属层覆盖在第一光刻胶层与第二光刻胶层上。
L型静电驱动微型机器人的控制方法， 其特征在于， 该控制方法用于 控制权利要求 10所述的 L型静电驱动机器人进行运动；
将 L型静电驱动微型机器人的 L型结构放置在 L型静电驱动微型机器人 的导电部上， 且使 L型结构的两端部分别与导电部的表面接触； 在导电部上加载电压， 并使所加载的电压震荡， 以控制 L型结构产生 形变而移动。
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