專利名稱：基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器及其制備方法，驅(qū)動器采用雙金屬膜復(fù)合結(jié)構(gòu)并通過電化學(xué)原理工作，屬于自動控制技術(shù)或者微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
微驅(qū)動器是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的核心，八十年術(shù)第一個靜電型微馬達(dá)(微驅(qū)動器)誕生引起轟動，此后基于各種不同驅(qū)動機(jī)制的微驅(qū)動器相繼出現(xiàn)，除了傳統(tǒng)的電磁和靜電驅(qū)動之外，還有壓電、形狀記憶、熱氣動、電致伸縮、磁致伸縮以及電化學(xué)效應(yīng)等驅(qū)動的微驅(qū)動器。盡管如此，微驅(qū)動器的現(xiàn)狀與實用化的要求尚有一定差距，探索更有效的新驅(qū)動機(jī)制仍然是其尋求突破的重要方向之一。
目前，驅(qū)動力矩和壽命是評價一個微驅(qū)動器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，從驅(qū)動機(jī)理和近年來所取得的進(jìn)展分析，在毫米到微米尺度上，形狀記憶合金薄膜和壓電材料薄膜驅(qū)動的微驅(qū)動器最具實用化潛力，兩者都是通過功能薄膜在一定條件下發(fā)生體積膨脹與收縮而實現(xiàn)機(jī)械驅(qū)動。由此可見，利用薄膜材料的伸縮振動特性實現(xiàn)微驅(qū)動具有一定的優(yōu)勢。
貯氫金屬(合金)能夠吸收大量氫氣并在一定條件下可逆地放出，并且在吸收或釋放氫的同時伴隨著顯著的體積變化，體積變化量甚至可達(dá)20％以上，遠(yuǎn)高于形狀記憶合金所能達(dá)到的水平，因此，利用貯氫合金薄膜吸氫膨脹特性設(shè)計新型微驅(qū)動器，可以顯著提升微驅(qū)動器的驅(qū)動能力。由于可以通過電化學(xué)反應(yīng)控制貯氫合金吸收和釋放氫過程，進(jìn)而控制微驅(qū)動器，所以它被稱為電化學(xué)微驅(qū)動器。
吸氫合金曾被用于制造醫(yī)療康復(fù)用途的常規(guī)執(zhí)行器(Y.Wakisaka，M.Muro，T.Kabutomuri et al.Application of hydrogen absorbing alloys to medical andrehabilitation equipment.IEEE transactions on rehabilitation engineering，1997，Vol.5，No.2P148-157)，但這種驅(qū)動器并不是貯氫合金直接驅(qū)動的，工作原理與氣動裝置相似，只是不使用壓縮空氣，取而代之的是通過改變吸氫合金溫度從而控制氫氣的吸收或釋放，達(dá)到改變氣體供給量的目的。與傳統(tǒng)的液壓、氣動或電動裝置相比，該類執(zhí)行器具有體積小、重量輕和無噪聲操作的特點，可以象人體關(guān)節(jié)一樣柔性運(yùn)動。
迄今為止，見諸報道的電化學(xué)微驅(qū)動器有兩種基本類型，其一是利用密閉在特定腔室內(nèi)的電極通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，從而改變封閉微腔內(nèi)的氣體總量，使腔內(nèi)氣壓變化，借以驅(qū)動作為腔壁之一的彈性膜運(yùn)動(C.R.Neagu et al，Anelectrochemical microactuatorprincipal and first results，journal ofmicroelectromechanical systems，Vol.5(1996)，P2-9)。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的氣動微驅(qū)動器相比在驅(qū)動能力上沒有什么優(yōu)勢，氣體的產(chǎn)生和消耗過程都很慢，卻又不能實現(xiàn)斷電姿態(tài)保持，但具有工作電壓低，常溫操作的特點，這是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)所決定的；第二種是基于導(dǎo)電聚合物在氧化/還原反應(yīng)過程中體積變化原理的有機(jī)薄膜微驅(qū)動器(E.W.H.Jager，E.Smela，O.Inganas et al，Polypyrrolemicroactuators，Synthetic metals 102(1999)1309-1310)，該類驅(qū)動器雖然克服了需要借助氣體產(chǎn)生驅(qū)動力的中間過程，有點像雙金屬膜結(jié)構(gòu)微驅(qū)動的工作方式，但是疏松的聚合薄膜機(jī)械強(qiáng)度很低，其膨脹所能產(chǎn)生的驅(qū)動力有限。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用貯氫合金薄膜作為驅(qū)動介質(zhì)設(shè)計新型的電化學(xué)微驅(qū)動器?；谫A氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器的核心結(jié)構(gòu)是由貯氫合金薄膜與性質(zhì)穩(wěn)定的襯底薄膜構(gòu)成的雙金屬膜疊層結(jié)構(gòu)，該雙金屬膜結(jié)構(gòu)電極的一部分固定附著在一定的基座上，其余懸空，構(gòu)成能夠隨著電極反應(yīng)進(jìn)程產(chǎn)生形態(tài)變化的復(fù)合驅(qū)動電極，該驅(qū)動電極與輔助電極構(gòu)成電極對，浸入適當(dāng)?shù)碾娊庖褐校憧梢酝ㄟ^施加直流電壓(流)而操控雙金屬膜電極實現(xiàn)微驅(qū)動，構(gòu)成一種新型的電化學(xué)微驅(qū)動器。貯氫薄膜微驅(qū)動電極采用微機(jī)械加工技術(shù)制備貯氫薄膜采用濺射或者電鍍方法沉積在襯底薄膜表面，襯底薄膜既可以采用濺射、電鍍方法沉積，也可以經(jīng)由刻蝕減薄較厚材料形成。多數(shù)情況下可以將兩種薄膜按一定順序沉積在特定基體上，然后采用犧牲層技術(shù)使局部微結(jié)構(gòu)釋放，形成復(fù)合微驅(qū)動電極。
本發(fā)明的微復(fù)合微驅(qū)動電極采用微機(jī)械加工技術(shù)制備，具體工藝流程和材料選擇如下1、在設(shè)計用來承載微驅(qū)動器的玻璃或者陶瓷基片上濺射沉積金屬化導(dǎo)電層，作為打底層?；仨毮軌蛟谝院蟮碾娊庖褐斜３址€(wěn)定，所以硅不是通常之選，它難以抗拒強(qiáng)堿性電解液的腐蝕，而玻璃和陶瓷則比較合適。金屬化層是后續(xù)加工的導(dǎo)電起始層，一般采用Cr/Cu或者Ti/Cu雙層薄膜，每層厚度均在10-100nm之間，Ti或者Cr粘結(jié)層的目的是提高打底層與基體的結(jié)合力。
2、在打底層上制作犧牲層薄膜和固定基座。犧牲層材料需要根據(jù)驅(qū)動介質(zhì)和襯底材料選擇，以便在選擇性刻蝕釋放復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)時不會對其造成損傷。一般情況下，正膠是首選的犧牲層材料，它不但容易借助光刻實現(xiàn)選擇性加工，而且可以方便地用丙酮溶解清除，該過程不會對常用金屬材料構(gòu)成任何威脅，特別適合與活潑金屬(合金)材料構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)匹配。除此之外，銅也是與鎳、鈀等金屬匹配的材料，因為在氨堿性溶液中，銅與鎳有良好的刻蝕選擇性。使用銅作為犧牲層材料的優(yōu)點還在于不需要第二次金屬化，并且可以同時形成用來固定部分驅(qū)動結(jié)構(gòu)的基座。犧牲層和基座一般取同樣厚度，從工藝可行性和整體結(jié)構(gòu)考慮，一般取數(shù)十微米。
3、在制作了犧牲層材料和基座的襯底上，按照一定順序先后制備圖形化的貯氫材料薄膜和襯底薄膜。幾乎所有能夠薄膜化的固體吸氫材料均可以作為驅(qū)動介質(zhì)，如常用于可充電池的稀土系貯氫合金以及鈀與鈀系合金、鈦鐵系合金等，前提是能夠建立適當(dāng)?shù)谋∧せに嚒Ｊ聦嵣?，幾乎所有的已知吸氫材料均可以以適當(dāng)?shù)姆椒▽崿F(xiàn)薄膜化，只是選擇適當(dāng)合理的薄膜化工藝可以達(dá)到事半功倍的效果。從工作穩(wěn)定性加工便利程度考慮，鈀及其合金薄膜具有明顯優(yōu)勢，若僅從影響驅(qū)動能力的吸氫膨脹率考慮，則鑭鎳系稀土合金更為優(yōu)越。相信隨著貯氫技術(shù)研究的深入發(fā)展，更多性能更優(yōu)良的吸氫合金材料肯定會出現(xiàn)，也有可能會有更合適的驅(qū)動介質(zhì)出現(xiàn)。
驅(qū)動介質(zhì)薄膜的吸氫膨脹在平面內(nèi)是各向同性的，一定設(shè)計的圖形化可以賦予驅(qū)動力一定的方向性，電沉積方法可以借助于掩膜電鍍在薄膜沉積的同時完成圖形化，而大多數(shù)干法沉積薄膜只能掩膜圖形化刻蝕實現(xiàn)。
驅(qū)動介質(zhì)的厚度區(qū)間為0.05-2微米。
復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)的襯底材料在微驅(qū)動器中起到提供結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的作用，它提供氫釋放之后復(fù)合結(jié)構(gòu)恢復(fù)初始形狀的回復(fù)力。對它的要求首先必須在預(yù)定的電解質(zhì)環(huán)境中能夠保持高度穩(wěn)定，因為微驅(qū)動器工作過程中要循環(huán)施加相當(dāng)強(qiáng)的氧化還原電位，所以襯底材料的化學(xué)穩(wěn)定性必須相當(dāng)好；其次要能夠方便成膜，成膜工藝與貯氫薄膜兼容，并且薄膜擁有良好的機(jī)械力學(xué)性能。盡管看起來要求很高，但是能夠滿足使用條件的材料相當(dāng)多。比如在堿性性環(huán)境中工作的鎳、貴金屬，在酸性環(huán)境中工作的各種貴金屬材料以及有機(jī)聚合物材料如聚酰亞胺、SU-8光刻膠等。在這里使用可以電鍍成型的材料和可以光刻成型的聚合物材料有比較優(yōu)勢，它讓襯底薄膜的成型加工工藝與貯氫薄膜兼容變得比較容易實現(xiàn)襯底膜的厚度依材料特性和對應(yīng)驅(qū)動膜厚度而定，一般在1-10微米之間。
驅(qū)動介質(zhì)與襯底薄膜沉積成型的順序?qū)ξⅡ?qū)動器的工作方式和能力有一定影響，如果采用干法成膜然后圖形化工藝制備貯氫薄膜，則襯底在上方有一定困難，只能借助套科加以解決，如果可以采用掩膜電沉積工藝制備驅(qū)動介質(zhì)層，則上述順序改變幾乎沒有任何困難。
為了犧牲層刻蝕的需要，通常要在需要釋放的結(jié)構(gòu)上均勻分布一些能夠貫通到犧牲層的微孔，孔徑5-20微米，間隔以不明顯影響結(jié)構(gòu)機(jī)械性能為宜，一般取30-200微米4、采用選擇性刻蝕劑清除部分基底犧牲層，釋放預(yù)定區(qū)域的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，形成局部懸空的復(fù)合微驅(qū)動電極?？涛g劑需要根據(jù)前述材料組合選擇。比如對于光刻膠作為犧牲層的體系，丙酮是最佳選擇，而對于Cu/Ni/Pd體系，2％(wt)H2O2+10％(wt)NH3混合溶液可以實現(xiàn)刻蝕銅而不影響鎳和鈀等。
5、局部釋放的微驅(qū)動電極與Pt片輔助電極配對，置入合適的電解液中，便構(gòu)成了可以實現(xiàn)微驅(qū)動的電化學(xué)微驅(qū)動器。電解液的選擇主要考慮的是與微電極材料體系相匹配，有助于保證各種結(jié)構(gòu)材料在電極反應(yīng)過程中保持穩(wěn)定，當(dāng)然，良好的導(dǎo)電性和析氫反應(yīng)時沒有副反應(yīng)發(fā)生也是要得到一定程度滿足的條件。通常選擇穩(wěn)定性高的強(qiáng)酸如硫酸或堿金屬強(qiáng)堿溶液體系如氫氧化鉀、氫氧化鈉等，也可以用高化學(xué)穩(wěn)定性的鹽如硫酸鈉硫酸鉀如果不考慮自放電因素，本發(fā)明所設(shè)計的電化學(xué)微驅(qū)動器的姿態(tài)具有斷電保持的能力，這一點比形狀記憶合金微驅(qū)動器優(yōu)越，即使考慮自放電因素的影響，姿態(tài)保持的功耗也僅僅是自放電的功率，不會像形狀記憶合金微驅(qū)動器為了實現(xiàn)姿態(tài)保持而持續(xù)通電導(dǎo)致整體升溫。
由于貯氫合金吸氫膨脹的體積變化率遠(yuǎn)大于常用的形狀記憶合金相應(yīng)相變的體積變化率，所以該微驅(qū)動器可以在低工作電壓下實現(xiàn)大位移驅(qū)動。
由于驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用雙金屬膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬膜的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疏松的聚合物膜，所以，本發(fā)明設(shè)計的電化學(xué)微驅(qū)動器驅(qū)動力會明顯大于有機(jī)聚合物薄膜微驅(qū)動器。
正是雙金屬膜結(jié)構(gòu)和電化學(xué)驅(qū)動原理決定了本發(fā)明驅(qū)動器的主要特征，驅(qū)動電壓低，行程長，驅(qū)動力比較大，安靜而且控制方便，另外它還具有姿態(tài)保持能力。
圖2為本發(fā)明中微驅(qū)動電極的一種實現(xiàn)形式一懸臂梁微驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1是平面基體，2是固定基座，3是襯底結(jié)構(gòu)薄膜，4是貯氫合金薄膜，5是Pt片輔助電極，6是電介質(zhì)溶液。
具體制備工藝為在玻璃襯底上濺射沉積10納米Cr，20納米Cu，電沉積35微米銅作為犧牲層和固定基座材料，然后在其上旋涂10微米SU-8光刻膠，光刻顯影以形成整個懸臂梁電極結(jié)構(gòu)的電鍍圖案，包括方形基座和長方形懸臂梁圖案，具體尺寸是基座1mm×1mm，懸臂梁長6mm，寬0.5mm，梁的圖案中均勻分布直徑10微米的圓形光刻膠柱，間距150微米。接著采用氨性鍍鈀液在掩膜空擋處電鍍0.3微米的鈀膜，然后電鍍5微米的鎳，取出，專用溶劑去膠。采用10％(wt)氨水+2％(wt)雙氧水的混合溶液，浸泡并攪拌刻蝕犧牲層，待懸臂梁釋放完成之后，取出清洗，與鉑片電極一起置入30％的KOH溶液中，以復(fù)合雙金屬膜微驅(qū)動電極為負(fù)極，施加10mA電流，或者1-2V的直流電壓，可以發(fā)現(xiàn)通電前平直的懸臂梁自由端逐漸升高，直到彎曲形成圓筒狀。反向接電源，原來翹起的懸臂梁將很快重新歸于平直。
權(quán)利要求
1.一種基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器，其特征在于由貯氫合金薄膜(4)與性質(zhì)穩(wěn)定的襯底薄膜(3)構(gòu)成雙金屬膜疊層結(jié)構(gòu)，基座(2)牢固附著在基體(1)表面，雙金屬膜結(jié)構(gòu)電極的一部分固定附著在基座(2)上，其余部分釋放懸空，形成微懸臂梁、懸橋或空腔結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成能夠隨著電極反應(yīng)進(jìn)程產(chǎn)生形態(tài)變化的復(fù)合驅(qū)動電極，驅(qū)動電極與輔助電極(5)構(gòu)成電極對，浸入電解液(6)中，通過施加直流電壓(流)而操控雙金屬膜電極實現(xiàn)微驅(qū)動。
2.一種如權(quán)利要求1所說的基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器的制備方法，其特征在于包括在基片(1)表面沉積打底層，在打底層上沉積或涂覆以制造犧牲層和固定基座(2)，然后在此基礎(chǔ)上通過光刻、電鍍或者沉積刻蝕工藝制備圖形化的吸氫合金薄膜(4)和襯底薄膜(3)，形成雙金屬膜微驅(qū)動結(jié)構(gòu)，最后用選擇性刻蝕劑清除部分基底犧牲層，釋放預(yù)定區(qū)域的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，形成局部懸空的復(fù)合微驅(qū)動電極。
3.如權(quán)利要求2所說的基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器的制備方法，其特征在于吸氫合金薄膜(4)是任何能夠薄膜化的固體吸氫材料，包括常用的稀土系合金、鈀及鈀系合金。
全文摘要
一種基于吸氫合金薄膜的電化學(xué)微驅(qū)動器及其制備方法，由貯氫合金薄膜與性質(zhì)穩(wěn)定的襯底薄膜構(gòu)成雙金屬膜疊層結(jié)構(gòu)，雙金屬膜結(jié)構(gòu)電極的一部分固定附著在基座上，其余懸空，構(gòu)成能夠隨著電極反應(yīng)進(jìn)程產(chǎn)生形態(tài)變化的復(fù)合驅(qū)動電極，驅(qū)動電極與輔助電極構(gòu)成電極對，浸入電解液中，通過施加直流電壓(流)而操控雙金屬膜電極實現(xiàn)微驅(qū)動。貯氫合金薄膜采用濺射或者電鍍方法沉積在襯底薄膜表面，襯底薄膜采用濺射、電鍍方法沉積，將兩種薄膜按一定順序沉積在特定基體上，然后采用犧牲層技術(shù)使局部微結(jié)構(gòu)釋放，形成復(fù)合微驅(qū)動電極。本發(fā)明驅(qū)動器驅(qū)動電壓低，行程長，驅(qū)動力比較大，安靜而且控制方便，還具有姿態(tài)保持能力。
文檔編號B81B7/00GK1424245SQ02157778
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者丁桂甫, 姚錦元, 趙小林 申請人:上海交通大學(xué)