專利名稱：柔性mems減阻蒙皮的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微制造和柔性MEMS技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性MEMS(Micrc) Electro-Mechanical System)減阻蒙皮的制造方法。
背景技術(shù)：
水面及水下航行體行駛時所受到的行進阻力包括壓差阻力、興波阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常占據(jù)最大比重，對于長度和長寬比/長徑比較大的航行體尤其如此。因此，降低航行體表面摩擦阻力能夠有效地提高航速、增加航程、降低能耗，具有巨大的經(jīng)濟價值。目前摩阻減阻技術(shù)的理論和應(yīng)用研究主要集中在湍流邊界層，涉及多種技術(shù)方案，例如表面形貌減阻(如肋條減阻)、仿生減阻(如柔順壁減阻)等無源減阻方式，以及聚合物添加劑減阻、注入氣泡減阻等需要注入物質(zhì)或消耗能量的減阻方式。在航行體表面形成一層氣膜是現(xiàn)今理論減阻率最高的減阻方式之一，近年來受到了廣泛的關(guān)注。主要思想為以氣膜將航行體大部分外表面包裹，從而變液_固界面為液-氣-固界面，大大減小摩擦阻力。目前主要以超空化和噴入氣體兩種方式形成氣膜。對于噴氣方式，需要額外的氣體噴射系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)必需持續(xù)工作，這對航行體的動力系統(tǒng)是較大負擔(dān)。對于超空化方式，存在空化噪聲，而且需要采用特殊的發(fā)動機，且功耗極大。中國發(fā)明專利“柔性MEMS減阻蒙皮及其制造方法”(專利號ZL200910079713. 0， 授權(quán)公告日2011年1月26日)公開了一種利用駐留微氣泡實現(xiàn)減阻的減阻蒙皮及其制造方法。通過電解水反應(yīng)形成穩(wěn)定駐留于微凹坑內(nèi)的微氣泡，覆蓋載體的絕大部分表面積，實現(xiàn)減小表面摩擦阻力的作用。這種方法氣體產(chǎn)生過程安靜平穩(wěn)，不會產(chǎn)生干擾和噪聲；微小的氣泡較之完整氣膜易于實現(xiàn)穩(wěn)定的保持；駐留氣泡已經(jīng)形成后，絕大多數(shù)凹坑內(nèi)的電解反應(yīng)會自動中止，利于降低功耗；最終得到的減阻蒙皮具有高柔性，總厚度很小，能夠貼覆于任意復(fù)雜的航行體表面而又不影響外形和尺寸，并且直接利用外界水環(huán)境而無需額外的復(fù)雜系統(tǒng)，因而易于對現(xiàn)有航行體的改造。中國專利ZL200910079713. 0所公開的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法不足之處是其制備聚合物表層的微凹坑結(jié)構(gòu)的工藝方法為光刻和刻蝕，這要求所選的材料需要能夠有合適的刻蝕方法，而對于聚合物材料的高深寬比刻蝕一直是MEMS工藝中的難點，目前可選的材料和刻蝕方法很有限。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述不足之處，本發(fā)明提供一種改進的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，本發(fā)明所述的制造方法可避免對蒙皮表層材料的高深寬比刻蝕，從而為表層材料提供更多的選擇。為達到上述目的，本發(fā)明所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，包括如下步驟制備含有與減阻蒙皮表層微凹坑形狀相反的微凸柱陣列的模具；
在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層；依次在所述表層上制備一層粘附層和金屬層，并在所述金屬層上采用MEMS平面微細工藝制備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線.
一入 ，在所述粘附層和金屬層上制備一層柔性絕緣襯底；去除掉陽極引線端子和陰極引線端子位置處的柔性絕緣襯底；脫模；以及，將減阻蒙皮表層凹坑位置處的粘附層去除掉，使電解陽極和電解陰極暴露出來。進一步地，所述模具材料為硅，采用ICP干法刻蝕工藝制備。進一步地，所述模具材料為金屬，采用微細電火花加工工藝、微細電解加工工藝或微電鑄工藝制備。進一步地，所述的在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層，其具體實現(xiàn)步驟如下首先，向模具中填充聚合物的預(yù)聚物；然后，用上蓋膜蓋壓在填充有預(yù)聚物的模具之上，并在上蓋膜上施加均勻載荷，同時加溫使模具內(nèi)的預(yù)聚物固化成型；隨后，去除上蓋膜；最后，對固化后形成的減阻蒙皮表層進行減薄工藝，使其表面齊平或略低于模具的上表面。進一步地，所述的在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層，其具體實現(xiàn)步驟如下首先，用上蓋膜蓋壓在模具的上表面，并在上蓋膜上施加均勻載荷；然后，向模具中注入預(yù)聚物，并加溫固化成型；最后，去除上蓋膜。進一步地，上述步驟中，用于制備表層的聚合物為PDMS，該聚合物固化前的預(yù)聚物中固化劑與PDMS單體的質(zhì)量配比為0. 05 0. 2 1 ；蓋在所述模具之上的上蓋膜為PMMA膜。進一步地，所述粘附層的材料為聚酰亞胺，厚度為1 4μπι，該粘附層的制備工藝為甩膠旋涂。進一步地，所述金屬層材料為鉬，所述的MEMS平面微細工藝包括光刻、濺射和超
聲剝離。進一步地，所述柔性絕緣襯底的材料為PDMS，所述柔性絕緣襯底的制備工藝具體為將PDMS刷涂在粘附層和金屬層之上；加溫固化形成柔性絕緣襯底。進一步地，所述的將減阻蒙皮表層凹坑位置處的粘附層去除掉，該去除方式為干法或濕法刻蝕。 本發(fā)明的有益效果是1.所述的柔性MEMS減阻蒙皮的表層，借助模具，用微復(fù)制工藝制備其微凹坑的結(jié)構(gòu)，使表層材料的選擇 范圍拓寬，不再受限于只能高深寬比刻蝕加工的材料。2.所述模具可重復(fù)使用。只要制備一份高精度的模具，即可在后續(xù)工序中保證所有經(jīng)該模具制備出的柔性MEMS減阻蒙皮表層的結(jié)構(gòu)精度。因此，本發(fā)明所述的制造方法能有效柔性MEMS減阻蒙皮的制造成本，同時易于保證表層的結(jié)構(gòu)精度。3.所述表層材料選擇PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。PDMS固化前流動性好，對模具填充效果佳，固化后與模具粘附性弱，易于脫模；PDMS具有本征的疏水性，利于微氣泡的穩(wěn)定駐留；PDMS柔性大，利于實現(xiàn)減阻蒙皮整體上的高柔性。


圖1是本發(fā)明所述柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法；圖2是本發(fā)明所述模具的一具體實施例的軸測示意圖；圖3是圖2所示模具的剖視圖；圖4是本發(fā)明在模具中填充聚合物的預(yù)聚物以制備減阻蒙皮表層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明在所述表層上制備一層粘附層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明在粘附層上表面形成有電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明在粘附層和各電極及內(nèi)部連線上制備柔性絕緣襯底的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明所述減阻蒙皮脫模后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明去除減阻蒙皮表層凹坑位置處粘附層后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是實施例1中步驟2的示意圖；圖11是實施例2中步驟2的示意圖。附圖標記1_模具；2-表層；3-粘附層；4-電解陽極；5-電解陰極；6_陽極引線端子；7-陰極引線端子；8-柔性絕緣襯底；9-PDMS預(yù)聚物；10-上蓋膜。
具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步的描述。如圖1所示，本發(fā)明所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，包括如下步驟步驟1、制備含有與減阻蒙皮表層微凹坑形狀相反的微凸柱陣列的模具；例如圖2 和圖3所示的用于制備一種含有矩形凹坑的蒙皮的模具1。所述模具1可以選擇采用ICP 干法刻蝕工藝來制備硅模具，也可以選擇采用激光、電火花、電解或電鑄等特種微細加工工藝來制備金屬模具。步驟2、在制備好的模具1中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層 2，如圖4所示。所述聚合物的預(yù)聚物可根據(jù)最終蒙皮的性能要求靈活選擇，而本發(fā)明聚合物推薦采用PDMS，該聚合物固化前的預(yù)聚物中固化劑與PDMS單體的質(zhì)量配比為0. 05 0.2 1。其中，該步驟可具體通過兩種方式實現(xiàn)，方式一，首先，向模具1中填充聚合物的預(yù)聚物；然后，用上蓋膜蓋壓在填充有預(yù)聚物的模具之上，并在薄膜上施加均勻載荷，同時加溫使模具內(nèi)的預(yù)聚物固化成型；然后，去除上蓋膜；最后，對固化后形成的減阻蒙皮表層進行減薄工藝，使其表面齊平或略低于模具的上表面。方式二，首先，用上蓋膜蓋在模具的上表面，并在上蓋膜上施加均勻載荷；然后，向模具中注入預(yù)聚物，并加溫固化成型；最后，去除上蓋膜。方式一是先過量填充固化后，再切削或刻蝕(即減薄工藝)去除多余聚合物來達到處于模具內(nèi)的已固化的表層的上表面齊平或略低于模具的上表面；而方式二是先蓋壓一層上蓋膜再注入聚合物的預(yù)聚物固化最后溶解去除上蓋膜來完成減阻蒙皮的制備，并保證處于模具內(nèi)的已固化的表層的上表面齊平或略低于模具的上表面。這里所述的上蓋膜可選用PMMA膜。步驟3、在所述表層上制備一層粘附層3，如圖5所示，該粘附層3所選擇的材料易于在其上制備金屬圖形且易于去除。然后再在該粘附層3上制備一層金屬層，并在所述金屬層上采用MEMS平面微細工藝制備金屬圖案，形成電解陽極4、電解陰極5、陽極引線端子 6、陰極引線端子7和內(nèi)部連線，如圖6所示。所述的陽極引線端子6和陰極引線端子7通過內(nèi)部連接分別與每個微凹坑內(nèi)的電解陽極4和電極陰極5導(dǎo)通。其中，所述的金屬層優(yōu)選材料為鉬，以便電解電極在電解水反應(yīng)中穩(wěn)定不損耗。所述的MEMS平面微細工藝具體包括光刻、濺射和超聲剝離。步驟4、在所述粘附層3和金屬層上制備一層柔性絕緣襯底8 ；該柔性絕緣襯底8 的材料可選為PDMS，其具體的制備工藝為首先將PDMS刷涂在粘附層和金屬層之上；然后加溫固化即形成柔性絕緣襯底。步驟5、去除掉陽極引線端子和陰極引線端子位置處的柔性絕緣襯底，如圖7所示。該去除工藝可選擇機械去除的方法；去除后露出陽極引線端子和陰極引線端子，以形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。步驟6、脫模；即步驟2至步驟5所制備的表層、粘附層、形成電解陽極、電解陰極、 陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線的金屬層以及柔性絕緣襯底從模具中整體剝離出來，脫離后如圖8所示。步驟7、將減阻蒙皮表層2凹坑21位置處的粘附層3去除掉，使電解陽極4和電解陰極5暴露出來，如圖9所示。下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法作進一步的說明。實施例1 制造方法包括如下步驟1. 1、模具的制備利用ICP刻蝕工藝在硅片上加工出微凸柱陣列，形成硅模具，凸柱結(jié)構(gòu)高度為10 100 μ m。1. 2、微凹坑表層的制備將PDMS的預(yù)聚物(PDMS單體與固化劑的質(zhì)量比為 10 1)涂覆在硅模具表面，然后抽真空處理IOmin以去除氣泡，讓混合溶液充分填充硅模具。緊接著將一張PMMA膜10 (即上蓋膜)緊壓在PDMS預(yù)聚物9上，如圖10所示。在PMMA 膜上施加并保持均勻載荷，置于烘箱中，在90°C下加熱60min使PDMS固化。固化完成后， 使用丙酮溶解掉PMMA膜。此時，所形成的表層略高于模具1的上表面。利用等離子干法刻蝕，對微凹坑表層進行減薄，使之齊平或略低于模具1上表面。1.3、制備粘附層旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體涂層以獲得厚度為4μπι的聚酰亞胺層。 1.4.制備金屬層并采用MEMS平面微細工藝制備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線。即采用光刻-濺射-超聲剝離的工藝在聚酰亞胺層(即粘附層)上制備鉬圖形，鉬層厚度為2000Α。
1.5.制 備柔性絕緣襯底將PDMS的預(yù)聚物(PDMS單體與固化劑的質(zhì)量比為 10 1)涂覆在粘附層與金屬層之上，于120°C下加熱30min固化，然后在對應(yīng)于陽極引線端子和陰極引線端子的位置通過機械切除方法將襯底去除，形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。1. 6.脫模，即將步驟2至步驟5所制備的表層、粘附層、形成電解陽極、電解陰極、 陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線的金屬層以及柔性絕緣襯底從模具中整體剝離出來。1. 7.在對應(yīng)的表層的凹坑位置處通過等離子干法刻蝕去除粘附層，使電解陽極和電解陰極暴露出來。通過上述步驟可制得表層和襯底均為PDMS材質(zhì)的柔性MEMS減阻蒙皮，表層厚度為 10 100 μ m。實施例2 制造方法包括如下步驟2. 1、模具1的制備采用微電鑄工藝加工出含微凸柱陣列的鎳模具，凸柱結(jié)構(gòu)高度為10 200 μ m。2.2.微凹坑表層2的制備將一 PMMA膜10 (即上蓋膜)蓋壓模具1上表面，同模具1 一起構(gòu)成縱橫交錯的微管道，再將PDMS的預(yù)聚物9 (PDMS單體與固化劑的質(zhì)量比為 10 1)從模具1 一端注入，借助毛細力使PDMS填充滿模具1，如圖4所示，然后將模具1、 PDMS9、PMMA膜10整體加熱，在90 °C下加熱60min使PDMS固化，最后使用丙酮溶解去除PMMA 膜10。2. 3.制備粘附層旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體涂層以獲得厚度為2 μ m的聚酰亞胺層。2.4.制備金屬層并采用MEMS平面微細工藝制備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線。即采用光刻-濺射一超聲剝離的工藝在聚酰亞胺層(即粘附層)上制備鉬圖形，鉬層厚度為3000A。2.5.制備柔性絕緣襯底將PDMS的預(yù)聚物(PDMS單體與固化劑的質(zhì)量比為 10 1)涂覆在粘附層與金屬層之上，于120°C下加熱30min固化，然后在對應(yīng)于陽極引線端子和陰極引線端子的位置通過機械切除方法將襯底去除，形成連接外部供電導(dǎo)線的焊接部位。2. 6.脫模，即將步驟2至步驟5所制備的表層、粘附層、形成電解陽極、電解陰極、 陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線的金屬層以及柔性絕緣襯底從模具中整體剝離出來。2. 7.在對應(yīng)的表層的凹坑位置處通過等離子干法刻蝕去除粘附層，使電解陰極和電極陽極暴露出來。通過上述步驟可制得表層和襯底均為PDMS材質(zhì)且的柔性MEMS減阻蒙皮，表層厚度為10 200 μ m。以上實施例均采用本發(fā)明的方法，其中所列的具體工藝方法、參數(shù)以及尺寸僅是舉例，而非對本發(fā)明方法適用范圍的限制。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 制備含有與減阻蒙皮表層微凹坑形狀相反的微凸柱陣列的模具； 在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層；依次在所述表層上制備一層粘附層和金屬層，并在所述金屬層上采用MEMS平面微細工藝制備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線； 在所述粘附層和金屬層上制備一層柔性絕緣襯底； 去除掉陽極引線端子和陰極引線端子位置處的柔性絕緣襯底； 脫模；以及，將減阻蒙皮表層凹坑位置處的粘附層去除掉，使電解陽極和電解陰極暴露出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述模具材料為硅，采用ICP干法刻蝕工藝制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述模具材料為金屬，采用微細電火花加工工藝、微細電解加工工藝或微電鑄工藝制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層，其具體實現(xiàn)步驟如下首先，向模具中填充聚合物的預(yù)聚物；然后，用上蓋膜蓋壓在填充有預(yù)聚物的模具之上，并在上蓋膜上施加均勻載荷，同時加溫使模具內(nèi)的預(yù)聚物固化成型； 隨后，去除上蓋膜；最后，對固化后形成的減阻蒙皮表層進行減薄工藝，使其表面齊平或略低于模具的上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的在制備好的模具中填充聚合物的預(yù)聚物，固化后形成減阻蒙皮的表層，其具體實現(xiàn)步驟如下首先，用上蓋膜蓋壓在模具的上表面，并在上蓋膜上施加均勻載荷； 然后，向模具中注入預(yù)聚物，并加溫固化成型； 最后，去除上蓋膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，其特征在于，上述步驟中，用于制備表層的聚合物為PDMS，該聚合物固化前的預(yù)聚物中固化劑與PDMS單體的質(zhì)量配比為0.05 0.2 1 ；蓋在所述模具之上的上蓋膜為PMMA膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述粘附層的材料為聚酰亞胺，厚度為1 4μπι，該粘附層的制備工藝為甩膠旋涂。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述金屬層材料為鉬，所述的MEMS平面微細工藝包括光刻、濺射和超聲剝離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述柔性絕緣襯底的材料為PDMS，所述柔性絕緣襯底的制備工藝具體為將PDMS刷涂在粘附層和金屬層之上； 加溫固化形成柔性絕緣襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮制造方法，其特征在于，所述的將減阻蒙皮表層凹坑位置處的粘附層去除掉，該去除方式為干法或濕法刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開一種柔性MEMS減阻蒙皮的制造方法，屬于微加工領(lǐng)域，主要是為了提供一種改進的制造工藝而設(shè)計。本發(fā)明所述的制造方法，包括如下步驟制備含有與蒙皮表層微凹坑形狀相反的微凸柱陣列的模具；以聚合物的預(yù)聚物填充模具并固化，形成減阻蒙皮的表層；在所述表層上制備一層粘附層；在所述粘附層上制備金屬層并采用MEMS平面微細工藝形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內(nèi)部連線；在所述粘附層和金屬層上面制備柔性絕緣襯底；在對應(yīng)引線端子的位置上將柔性絕緣襯底去除；脫模；以及，在對應(yīng)的表層凹坑位置處去除粘附層，使金屬電極暴露出來。本發(fā)明適用于制造以難刻蝕聚合物作為表層材料的柔性MEMS減阻蒙皮。
文檔編號B81C1/00GK102295267SQ201110192799
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者朱效谷, 李勇, 李文平 申請人:清華大學(xué)