一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，選用高分子材料作為材料板，采用納米壓印法或者光刻和腐蝕法分別制作底座高分子材料板及懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板，經(jīng)紫外光處理后，再通過(guò)熱壓鍵合方法結(jié)合得到結(jié)合后的材料板；底座高分子材料板底板層上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)和懸空結(jié)構(gòu)層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)互相結(jié)合成預(yù)留的入口；往預(yù)留的入口注入作為支撐層的補(bǔ)強(qiáng)劑，干燥后，對(duì)結(jié)合后的材料板的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行精密研磨直至懸空結(jié)構(gòu)層可見(jiàn)；進(jìn)行清洗后再分解補(bǔ)強(qiáng)劑，得到目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用高分子材料，成本更低廉，且流程更簡(jiǎn)便，精度高。此外由于材料本身的特性帶來(lái)彈性、透明特性、生物相容性、環(huán)境友好型等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電機(jī)械加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法。

【背景技術(shù)】
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[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。它采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，但更側(cè)重于超精密機(jī)械加工。MEMS器件擁有體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短、高集成度的特點(diǎn)，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。懸臂梁式結(jié)構(gòu)和微橋結(jié)構(gòu)是MEMS中的基本結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)于各種傳感器的設(shè)計(jì)中。基于懸臂梁式這樣的可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)，具有高分辨率，低成本，易陣列化、以及便于與其他電路模塊高度集成為一體的特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。
[0003]硅材料是一種半導(dǎo)體材料，容易加工成各種形狀，如可以使用干法刻蝕及濕法刻蝕成深寬比很高的立體結(jié)構(gòu)。一般制作可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)以硅材料作為基底，采用主流的硅微加工技術(shù)，包括體加工和表面加工技術(shù)。體微加工工藝的基本流程是在基底(硅材料)上沉積結(jié)構(gòu)層，在襯底的背面淀積氧化物掩膜，然后在掩膜上光刻出刻蝕窗口，并進(jìn)一步刻蝕硅片，形成懸空結(jié)構(gòu)；表面加工技術(shù)則是以犧牲層工藝為基礎(chǔ)。這種傳統(tǒng)制作工藝現(xiàn)已非常成熟，應(yīng)用也廣泛，但由于硅材料不具有生物相容性，使得在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，該技術(shù)非常受限制。高分子材料具有生物相容性，但MEMS領(lǐng)域目前并沒(méi)有成熟的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于高分子材料的可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0007]a、選用高分子材料作為材料板，采用納米壓印法或者光刻和腐蝕法(包括物理和化學(xué)方法)分別制作底座高分子材料板及懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板；所述底座高分子材料板包括底板層、中空的底板層上層及其中空的底板層上層兩端的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)；所述懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板包括結(jié)構(gòu)層、懸空結(jié)構(gòu)層；所述懸空結(jié)構(gòu)層兩端分別設(shè)有預(yù)留結(jié)合點(diǎn)，所述預(yù)留結(jié)合點(diǎn)跟所述底座高分子材料板底板上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；
[0008]b、將步驟a得到的底座高分子材料板和懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板于真空中以紫外(UV)光處理后，通過(guò)熱壓鍵合方法結(jié)合得到結(jié)合后的材料板；所述底座高分子材料板底板層上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)和懸空結(jié)構(gòu)層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)互相結(jié)合成預(yù)留的入口 ；
[0009]c、往步驟b得到的結(jié)合后的材料板的預(yù)留的入口注入作為支撐層的補(bǔ)強(qiáng)劑，干燥后，對(duì)結(jié)合后的材料板的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行精密研磨直至懸空結(jié)構(gòu)層可見(jiàn)；
[0010]d、將步驟c得到的裝置進(jìn)行清洗后置于真空環(huán)境中分解補(bǔ)強(qiáng)劑，即得到目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)。
[0011]所述高分子材料優(yōu)選為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)中的一種。
[0012]步驟b中所述紫外光處理指以波長(zhǎng)為190_280nm的紫外光曝光處理，以活化材料表面，使其可以直接鍵合而不需要其他粘合劑。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:采用聚合高分子材料，材料和制作成本更低廉，且流程更簡(jiǎn)便，精度高。此外由于材料本身的特性帶來(lái)彈性、透明特性、生物相容性、環(huán)境友好型等優(yōu)點(diǎn)。使用彈性材料的靜電激勵(lì)器需要的驅(qū)動(dòng)力更小，因此它更節(jié)能；透明性使其更適用于微流體裝置及光學(xué)裝置；生物相容性使其更適于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
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[0014]圖1是本發(fā)明的底座高分子材料板的俯視圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的底座高分子材料板的側(cè)視圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板的俯視圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板的側(cè)視圖；
[0018]圖5是本發(fā)明的結(jié)合后的材料板的側(cè)視圖；
[0019]圖6是本發(fā)明的結(jié)合后的材料板注入補(bǔ)強(qiáng)劑后的側(cè)視圖；
[0020]圖7是本發(fā)明的結(jié)合后的材料板對(duì)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行精密研磨直至懸空結(jié)構(gòu)層可見(jiàn)的側(cè)視圖；
[0021]圖8是本發(fā)明的目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0022]圖9是本發(fā)明的目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)側(cè)視圖的尺寸圖。
[0023]其中，100、結(jié)構(gòu)層，200、預(yù)留結(jié)合點(diǎn)，300、懸臂梁，400、懸動(dòng)主要結(jié)構(gòu)，500、預(yù)留結(jié)合點(diǎn)，600、底板，700、補(bǔ)強(qiáng)劑，800、中空的底板層上層。

【具體實(shí)施方式】
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[0024]以下是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。
[0025]本發(fā)明的制作方法適用于多種高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)等等。下面實(shí)施例中，選用PMMA作為材料板。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]—種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0028]a、選用PMMA作為材料板，采用納米壓印法分別制作底座高分子材料板(其俯視圖和側(cè)視圖分別如圖1、2所示)及懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板(其俯視圖和側(cè)視圖分別如圖3、4所示)；如圖1、2所示，所述底座高分子材料板包括底板層600、中空的底板層上層800及其中空的底板層上層800兩端的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)500;如圖3、4所示，所述懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板包括結(jié)構(gòu)層100、懸空結(jié)構(gòu)層；所述懸空結(jié)構(gòu)層兩端分別設(shè)有預(yù)留結(jié)合點(diǎn)200，所述預(yù)留結(jié)合點(diǎn)200跟所述底座高分子材料板底板層600上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)500相對(duì)應(yīng)；本例中所述懸空結(jié)構(gòu)層由懸動(dòng)主要結(jié)構(gòu)400和懸動(dòng)主要結(jié)構(gòu)400兩端的起支撐作用的兩條懸臂梁300組成。
[0029]b、將步驟a得到的底座高分子材料板和懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板于真空中以紫外光曝光處理10分鐘，以活化材料表面，使其可以直接鍵合而不需要其他粘合劑。然后在70攝氏度的環(huán)境下以4.4MPa的接觸壓力保持10分鐘，使其直接鍵合。通過(guò)上述熱壓鍵合方法結(jié)合得到的結(jié)合后的材料板的側(cè)面圖如圖5所示；所述底座高分子材料板底板層600上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)500和懸空結(jié)構(gòu)層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)200互相結(jié)合成預(yù)留的入口 ；
[0030]c、往步驟b得到的結(jié)合后的材料板的預(yù)留的入口注入作為支撐層的補(bǔ)強(qiáng)劑700，使其填滿中空空間。結(jié)合后的材料板注入補(bǔ)強(qiáng)劑后的側(cè)視圖如圖6所示。干燥后，對(duì)結(jié)合后的材料板的結(jié)構(gòu)層100進(jìn)行精密研磨，依據(jù)機(jī)構(gòu)層厚度調(diào)節(jié)研磨精度，直至懸空結(jié)構(gòu)層可見(jiàn)，如圖7所示；
[0031]d、利用超聲波將步驟c得到的裝置進(jìn)行清洗后置于真空環(huán)境中分解補(bǔ)強(qiáng)劑，補(bǔ)強(qiáng)劑分解后即得到目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)，如圖8所示，其尺寸圖如圖9所示。
[0032]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本方法制作出的可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)在給予同樣驅(qū)動(dòng)電壓下，移動(dòng)距離是同樣大小的傳統(tǒng)硅結(jié)構(gòu)的10倍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: a、選用高分子材料作為材料板，采用納米壓印法或者光刻和腐蝕法分別制作底座高分子材料板及懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板；所述底座高分子材料板包括底板層、中空的底板層上層及其中空的底板層上層兩端的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)；所述懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板包括結(jié)構(gòu)層、懸空結(jié)構(gòu)層；所述懸空結(jié)構(gòu)層兩端分別設(shè)有預(yù)留結(jié)合點(diǎn)，所述預(yù)留結(jié)合點(diǎn)跟所述底座高分子材料板底板上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)相對(duì)應(yīng)； b、將步驟a得到的底座高分子材料板和懸空結(jié)構(gòu)層高分子材料板于真空中以紫外光處理后，通過(guò)熱壓鍵合方法結(jié)合得到結(jié)合后的材料板；所述底座高分子材料板底板層上層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)和懸空結(jié)構(gòu)層兩端設(shè)有的預(yù)留結(jié)合點(diǎn)互相結(jié)合成預(yù)留的入口； C、往步驟b得到的結(jié)合后的材料板的預(yù)留的入口注入作為支撐層的補(bǔ)強(qiáng)劑，干燥后，對(duì)結(jié)合后的材料板的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行精密研磨直至懸空結(jié)構(gòu)層可見(jiàn)； d、將步驟c得到的裝置進(jìn)行清洗后置于真空環(huán)境中分解補(bǔ)強(qiáng)劑，得到目標(biāo)懸空結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述高分子材料選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高分子材料可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，步驟b中所述紫外光處理指以波長(zhǎng)為190-280nm的紫外光曝光處理。
【文檔編號(hào)】B81C3/00GK104370273SQ201410652643
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】李凌瀚, 劉炳耀 申請(qǐng)人:廣東萬(wàn)事泰集團(tuán)有限公司