無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺。彈簧結(jié)構(gòu)為螺旋型，整體尺寸在百微米量級到毫米級別；材料為Ni-Nb基無序合金材料，楊氏模量大于180GPa，彈性極限大于2%。制備方法，1）制備一個PMMA光刻膠圓柱；2）將光刻膠圓柱夾持到曝光臺上進(jìn)行X-ray曝光；3）進(jìn)行顯影，得到顯影后的制備彈簧的PMMA模具；4）用鎳和鈮金屬在真空下氬氣保護(hù)熔煉而成的靶材；5）通過磁控濺射制備無序合金薄膜層；6）釋放得到無序合金微彈簧。本發(fā)明將X-ray光刻工藝與磁控濺射技術(shù)結(jié)合，突破了傳統(tǒng)機(jī)械工藝制備亞毫米螺旋微型彈簧的尺寸瓶頸，填補(bǔ)了MEMS器件中無序合金螺旋微彈簧的空缺，拓展了3D金屬微器件的加工思路，微彈簧表面平整光滑，形狀理想。
【專利說明】無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納米【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]彈簧作為一種基礎(chǔ)機(jī)械零件，幾乎在人們所能接觸到的領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和不可或缺的地位。然而隨著近幾十年來微納米技術(shù)迅猛發(fā)展，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)制備的微傳感器、微機(jī)械光學(xué)器件、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件等微器件在各個領(lǐng)域取得令人矚目的成就，器件微型化的趨勢日漸顯著，各領(lǐng)域?qū)τ谖椈傻男枨笕找嫫惹?，如何將傳統(tǒng)的機(jī)械彈簧微型化成為一項(xiàng)重要的課題。
[0003]傳統(tǒng)意義上的彈簧數(shù)百年來得到了充分的研究，擁有相對完善的制備工藝，制備工藝一般分為冷加工和熱加工，通常有冷卷成形、熱卷成形、淬火、回火處理、去應(yīng)力過火等步驟，然而這些成熟的機(jī)械制備方法只適用于通常尺寸的彈簧且對材料的塑形有一定要求，無法制備亞毫米級別的高倔強(qiáng)系數(shù)微彈簧。目前微彈簧在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用模式還沒有系統(tǒng)的總結(jié)和歸納，已報道的微彈簧一般由MEMS工藝制備，例如LIGA或者UV-LIGA技術(shù)、硅基微機(jī)械加工技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等，上述方法通常只能制備平面結(jié)構(gòu)彈簧，且材料的選擇有限，無法制備出具有優(yōu)異機(jī)械性能的螺旋微彈簧。
[0004]隨著彈簧尺寸的縮小，其抗壓、儲能能力亦會隨之下降，選擇一種強(qiáng)度比金屬高且不易碎的材料制備彈簧可有效改善彈簧的力學(xué)性能。N1-Nb基無序合金強(qiáng)度高，硬度高，耐腐蝕，耐摩擦，它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們各自的弊病。無序合金的強(qiáng)度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，具有比較好的韌性和剛性，是制備微彈簧的理想材料，但利用其制備微彈簧需要克服傳統(tǒng)工藝無法加工微尺寸彈簧的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空缺，提供無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺。
[0006]具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧，結(jié)構(gòu)為螺旋型，整體尺寸在百微米量級到毫米級別，彈簧絲直徑大于等于10 Um ;材料為N1-Nb基無序合金材料，楊氏模量大于180GPa，彈性極限大于2%。
[0007]所述具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法，步驟如下:
1)利用機(jī)械加工或者注塑方法，制備一個PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠圓柱；
2)將光刻膠圓柱夾持到曝光臺上進(jìn)行X-ray曝光，控制曝光參數(shù)來調(diào)節(jié)微彈簧的節(jié)距和彈黃絲的直徑；
3)對曝光過的光刻膠圓柱進(jìn)行顯影，得到顯影后的制備彈簧的PMMA模具；
4)用純度分別超過99.9%的鎳和鈮金屬在高于3*10_3 Pa的真空下氬氣保護(hù)熔煉而成的靶材；
5)利用磁控濺射儀器和制得的靶材制備無序合金薄膜層，控制濺射時間來控制濺射厚度，濺射時使PMMA模具勻速地繞自身軸旋轉(zhuǎn)，保證無序合金薄膜層的厚度均勻性；
6)先用甲基丙烯酸甲酯溶液對帶有無序合金薄膜層的模具浸泡24小時，再用丙酮浸泡12小時，最后用無水乙醇浸泡清洗，釋放得到直徑一大一小的二個無序合金微彈簧。
[0008]步驟2)中，所述的曝光臺包括光刻膠圓柱、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、掩膜板、步進(jìn)電機(jī)、掩膜板夾具座、夾具，光刻膠圓柱夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，可勻速轉(zhuǎn)動，掩膜板利用夾具固定在掩膜板夾具座上，步進(jìn)電機(jī)剛性聯(lián)接掩膜板夾具座，可驅(qū)動掩膜板直線運(yùn)動，掩膜板中心透光小孔與光刻膠圓柱中心處等高。
[0009]所述的X-ray曝光方法，將光刻膠圓柱夾持到帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上進(jìn)行X-ray曝光，X-ray透過掩膜板中心小孔射到光刻膠圓柱上，旋轉(zhuǎn)電機(jī)以Cil的角速度勻速轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)以P的速度帶動掩膜板勻速移動，曝光劑量大小決定T曝光的深度，成型后彈簧絲的直徑與中心透光小孔的直徑相當(dāng)。
[0010]用于制備無序合金微彈簧的曝光臺，包括光刻膠圓柱、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、掩膜板、步進(jìn)電機(jī)、掩膜板夾具座、夾具，光刻膠圓柱夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，可勻速轉(zhuǎn)動，掩膜板利用夾具固定在掩膜板夾具座上，步進(jìn)電機(jī)剛性聯(lián)接掩膜板夾具座，可驅(qū)動掩膜板直線運(yùn)動，掩膜板中心透光小孔與光刻膠圓柱中心處等高。
[0011]本發(fā)明的有益效果:將同步輻射光源x-ray光刻工藝與磁控濺射技術(shù)結(jié)合，突破了傳統(tǒng)機(jī)械工藝制備螺旋微型彈簧的尺寸瓶頸，填補(bǔ)了 MEMS器件中無序合金螺旋微彈簧的空缺，拓展了通過改進(jìn)現(xiàn)有成熟傳統(tǒng)微加工技術(shù)來制備復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的新思路，制備出的微彈簧表面平整光滑，幾何形狀理想。采用N1-Nb基無序合金材料作為材料的微彈簧具有優(yōu)異的機(jī)械性能，強(qiáng)度高，硬度高，耐腐蝕能力是普通304不銹鋼的一萬倍，倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限分別達(dá)到一般晶態(tài)金屬材料微彈簧的2倍和4倍以上，有望在微機(jī)械、精密裝配、光學(xué)、航空航天、MEMS等高【技術(shù)領(lǐng)域】獲得廣泛應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是一種具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法流程圖；
圖2a是掩膜板及驅(qū)動裝置示意圖；
圖2b是光刻膠圓柱及旋轉(zhuǎn)裝置示意圖；
圖2c是一種用于無序合金微彈簧制備的曝光過程示意圖；
圖3是無序合金微彈簧的制備過程示意圖；
圖中:光刻膠圓柱1、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2、掩膜板3、步進(jìn)電機(jī)4、掩膜板夾具座5、夾具6。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明結(jié)合同步輻射光源X-ray光刻工藝和磁控濺射技術(shù)，提出了一種具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧及制備方法，在光學(xué)工程、精密儀器、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0014]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0015]具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧，結(jié)構(gòu)為螺旋型，整體尺寸在百微米量級到毫米級別，彈簧絲直徑可小到10 Um左右；材料為N1-Nb基無序合金材料，楊氏模量大于180GPa，彈性極限大于2% ;微彈簧具有優(yōu)異的機(jī)械性能，強(qiáng)度高，硬度高，耐腐蝕能力是普通304不銹鋼的一萬倍，倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限分別達(dá)到一般晶態(tài)金屬材料微彈簧的2倍和4倍以上。
[0016]上述具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法流程如圖1所示，其主要步驟包括:(I)制備一個PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠圓柱；(2)對光刻膠圓柱進(jìn)行同步輻射X-ray曝光；(3)顯影得到微彈簧模具；(4)制備N1-Nb基無序合金靶材，用純度超過99.9%的鎳和鈮金屬按照一定比例在高于3*10_3 Pa的真空下氬氣保護(hù)熔煉得到；
(5)磁控濺射制備無序合金薄膜層；(6)溶解光刻膠釋放得到微彈簧。
[0017]如圖2a、2b、2c所示，用于制備無序合金微彈簧的曝光臺，包括光刻膠圓柱1、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2、掩膜板3、步進(jìn)電機(jī)4、掩膜板夾具座5、夾具6，光刻膠圓柱I夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2上，可勻速轉(zhuǎn)動，掩膜板3利用夾具6固定在掩膜板夾具座5上，步進(jìn)電機(jī)4剛性聯(lián)接掩膜板夾具座5，可驅(qū)動掩膜板3直線運(yùn)動，掩膜板3中心透光小孔與光刻月父圓柱I中心處等聞。
[0018]X-ray曝光方法:將光刻膠圓柱夾持到帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，X-ray透過掩膜板中心小孔射到光刻膠圓柱上靠近端點(diǎn)處一點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)以icl的角速度勻速轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)以P的速度帶動掩膜板勻速移動，角速度ill和移動速度P滿足以下關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧，其特征在于，結(jié)構(gòu)為螺旋型，整體尺寸在百微米量級到毫米級別，彈簧絲直徑大于等于10 Um ;材料為N1-Nb基無序合金材料，楊氏模量大于180GPa,彈性極限大于2%。
2.一種如權(quán)利要求1所述具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法，其特征在于，步驟如下: 1)利用機(jī)械加工或者注塑方法，制備一個PMMA光刻膠圓柱； 2)將光刻膠圓柱夾持到曝光臺上進(jìn)行X-ray曝光，控制曝光參數(shù)來調(diào)節(jié)微彈簧的節(jié)距和彈黃絲的直徑； 3)對曝光過的光刻膠圓柱進(jìn)行顯影，得到顯影后的制備彈簧的PMMA模具； 4)用純度分別超過99.9%的鎳和鈮金屬在高于3*10_3 Pa的真空下氬氣保護(hù)熔煉而成的靶材； 5)利用磁控濺射儀器和靶材在PMMA模具上濺射無序合金薄膜層，控制濺射時間來控制濺射厚度，濺射時使PMMA模具勻速地繞自身軸旋轉(zhuǎn)，保證無序合金薄膜層厚度均勻； 6)先用甲基丙烯酸甲酯溶液對帶有無序合金薄膜層的模具浸泡24小時，再用丙酮浸泡12小時，最后用無水乙醇浸泡清洗，釋放得到直徑一大一小的二個無序合金微彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述的曝光臺包括光刻膠圓柱(I)、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)、掩膜板(3)、步進(jìn)電機(jī)(4)、掩膜板夾具座(5)、夾具(6),光刻膠圓柱(I)夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)上，可勻速轉(zhuǎn)動，掩膜板(3)利用夾具(6 )固定在掩膜板夾具座(5 )上，步進(jìn)電機(jī)(4 )剛性聯(lián)接掩膜板夾具座(5 )，可驅(qū)動掩膜板(3)直線運(yùn)動，掩膜板(3)中心透光小孔與光刻膠圓柱(I)中心處等高。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，所述的X-ray曝光方法，將光刻膠圓柱(I)夾持到帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)上進(jìn)行X-ray曝光，X-ray透過掩膜板(3)中心小孔射到光刻膠圓柱(I)上，旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)以 的角速度勻速轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)(4)以U的速度帶動掩膜板(3)勻速移動，曝光劑量大小決定了曝光的深度，成型后彈簧絲的直徑與中心透光小孔的直徑相當(dāng)。
5.一種用于制備無序合金微彈簧的曝光臺，其特征在于，包括光刻膠圓柱(I)、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)、掩膜板(3)、步進(jìn)電機(jī)(4)、掩膜板夾具座(5)、夾具(6)，光刻膠圓柱(I)夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)上，可勻速轉(zhuǎn)動，掩膜板(3)利用夾具(6)固定在掩膜板夾具座(5)上，步進(jìn)電機(jī)(4)剛性聯(lián)接掩膜板夾具座(5)，可驅(qū)動掩膜板(3)直線運(yùn)動，掩膜板(3)中心透光小孔與光刻膠圓柱(I)中心處等高。
【文檔編號】G03F7/20GK103663363SQ201310644730
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】張冬仙, 史斌, 胡曉琳, 伊福廷, 王波, 蔣建中, 章海軍 申請人:浙江大學(xué)