專利名稱：用于直線推進(jìn)的多弧結(jié)構(gòu)的改性su8電熱微執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種MEMS微制造技術(shù)領(lǐng)域的器件，具體的說是一種用于直線推進(jìn)的多弧結(jié)構(gòu)的改性SU8電熱微執(zhí)行器。
背景技術(shù)：
微執(zhí)行器是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的關(guān)鍵器件之一。目前基于各種原理的微執(zhí)行器在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究，應(yīng)用較多的微致動(dòng)方式有靜電致動(dòng)、壓電致動(dòng)、電磁致動(dòng)、熱致動(dòng)和形狀記憶合金致動(dòng)等，采用電或磁的致動(dòng)方式存在制作工藝復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)電壓過高、驅(qū)動(dòng)力非線性、驅(qū)動(dòng)力過小等等不足。相對(duì)而言，熱驅(qū)動(dòng)方式因?yàn)閹缀纬叽缧。に嚭?jiǎn)單而具有較強(qiáng)的吸引力，而且它還有驅(qū)動(dòng)電壓低、驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于集成等特點(diǎn)。利用熱膨脹原理致動(dòng)是熱驅(qū)動(dòng)方式的一種，通過對(duì)執(zhí)行器材料通電加熱，使材料產(chǎn)生近似與溫度成線性的形變，可制成電熱致動(dòng)的微型執(zhí)行器。電熱致動(dòng)方式能克服靜電致動(dòng)和電磁致動(dòng)的弱點(diǎn)，具有作用力大的特點(diǎn)，其作用力能達(dá)到數(shù)百微牛以上。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)專利公開號(hào)CN1768003A公開了一種非對(duì)稱MEMS熱致動(dòng)器裝置，
公開日期為2006.5.3，名稱為“熱致動(dòng)器”，該熱致動(dòng)器由一個(gè)基板部、一個(gè)致動(dòng)器和一個(gè)位于致動(dòng)器單元側(cè)面的突出散熱部組成，其中致動(dòng)器單元由兩條平行不等寬臂構(gòu)成，當(dāng)電流通過時(shí)由于加熱程度不同而產(chǎn)生彎曲。該熱致動(dòng)器由于采用兩條平行不等寬臂Si梁電流加熱產(chǎn)生的變形差完成位移動(dòng)作。在大位移需要的場(chǎng)合，由于硅的熱變形系數(shù)小，往往需要通過加大電流，從而加熱Si構(gòu)件，進(jìn)而獲得大的熱變形的方法來實(shí)現(xiàn)，存在驅(qū)動(dòng)電壓過高、工作時(shí)尤其大位移時(shí)溫度高，對(duì)動(dòng)作環(huán)境影響大，進(jìn)而限制了其應(yīng)用等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于直線推進(jìn)的多弧結(jié)構(gòu)的改性SU8電熱微執(zhí)行器。使其基于電熱致動(dòng)原理，工作電流小，工作溫度低，對(duì)環(huán)境影響小，用來對(duì)微流體系統(tǒng)中的活動(dòng)部件如微型閥門的開關(guān)進(jìn)行控制，可為微流體系統(tǒng)中流體的驅(qū)動(dòng)、控制和封閉等自動(dòng)化操作提供新的途徑，并拓展了其應(yīng)用場(chǎng)合。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明由SU8膠懸臂梁、與外部電路連接的左導(dǎo)電層、右導(dǎo)電層構(gòu)成，SU8懸臂梁形狀為多弧狀結(jié)構(gòu)，用于直線推進(jìn)，為玻璃基底上制作的懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁梁體為摻入納米碳管的SU8膠，左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層SU8膠懸臂梁的上方，通過下面的左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層與玻璃基底相連。
SU8膠懸臂梁由左基座、左底部連接塊、左弧形梁體、左頂部連接塊、推進(jìn)塊、右頂部連接塊、右弧形梁體、右底部連接塊、右基座構(gòu)成，其連接關(guān)系左基座和左弧形梁體通過左底部連接塊連接，左弧形梁體和推進(jìn)塊通過左頂部連接塊連接，推進(jìn)塊和右弧形梁體通過右頂部連接塊連接，右弧形梁體和右基座通過右底部連接塊連接；左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層分別位于左基座和右基座的上方。
SU8懸臂梁用于直線推進(jìn)，可以將懸臂梁結(jié)構(gòu)從玻璃基底上卸下，安裝在微機(jī)電結(jié)構(gòu)上使用。
本發(fā)明工作時(shí)，以左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層為電極向SU8膠懸臂梁中通入電流，由于電熱作用使梁體發(fā)生膨脹形變，改變電流大小可改變梁體伸縮的程度，從而使得電熱驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器可控。
本發(fā)明的電熱驅(qū)動(dòng)微型執(zhí)行器工作電壓低，使得工作環(huán)境的溫度較低。通過控制通過懸臂梁的工作電流，能夠連續(xù)控制通過微閥門的液體流量，從而為微流體系統(tǒng)中流體的控制、封閉提供自動(dòng)化的操作。
本發(fā)明具有明顯的有益的效果①通過在SU8光刻膠中加入碳納米管，可以得到機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性大大增加的懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)有利于減少工作的電流和降低工作溫度；②懸臂梁采用多弧結(jié)構(gòu)有利于為執(zhí)行器提供比較大的位移輸出，采用電熱致動(dòng)方式輸出作用力大，動(dòng)作可靠；③工作電流較小，溫度較低，對(duì)環(huán)境影響小，適應(yīng)性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明兩塊導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明用于控制通過微閥門液體的流量實(shí)施例示意圖。
圖5為本發(fā)明導(dǎo)電SU8電熱微執(zhí)行器加工工藝步驟圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2、3所示，本發(fā)明實(shí)施例由如下部件構(gòu)成SU8膠懸臂梁1、與外部電路連接的左導(dǎo)電層2、右導(dǎo)電層3；SU8膠懸臂梁1包括左基座4、左底部連接塊5、左弧形梁體6、左頂部連接塊7、推進(jìn)塊8、右頂部連接塊9、右弧形梁體10、右底部連接塊11、右基座12，其連接關(guān)系是左基座4和左弧形梁體6通過左底部連接塊5連接，左弧形梁體6和推進(jìn)塊8通過左頂部連接塊7連接，推進(jìn)塊8和右弧形梁體10通過右頂部連接塊9連接，右弧形梁體10和右基座12通過右底部連接塊11連接；左導(dǎo)電層2和右導(dǎo)電層3分別位于左基座4和右基座12的上方。SU8懸臂梁1形狀為多弧狀結(jié)構(gòu)，用于直線推進(jìn)。采用MEMS加工技術(shù)，過程如下(如圖5示)①首先在玻璃基底上濺射一層Cr/Cu(厚度為Cr5～10nm，Cu200～250nm，本實(shí)施例為Cr8nm，Cu220nm)金屬層作為電鍍種子層；②在種子層上旋涂一層PMMA正膠(厚度為10～15μm，本實(shí)施例為10μm)，光刻顯影；③利用上一步開出的窗口，在種子層上電鍍一層Cu作為外部連線，平整化后將正膠和種子層去除；④旋涂一層較厚的聚酰亞胺(厚度為50～80μm，本實(shí)施例為60μm)，作為執(zhí)行器的犧牲層。對(duì)準(zhǔn)后刻蝕出與連線對(duì)應(yīng)的圖形；⑤將配方好后的SU8膠(厚度為200～250μm，本實(shí)施例為200μm)旋涂在犧牲層上，光刻、顯影；⑥最后用NaoH溶液釋放聚酰亞胺犧牲層即可。
其中種子層濺射厚度分別為Cr5～10nm，Cu200～250nm，PMMA正膠厚度為10～15μm，聚酰亞胺層厚度為50～80μm，SU8混合層厚度為200～250μm，碳納米管的體積分?jǐn)?shù)約為31％。
改性SU8膠的制作方法如下將適當(dāng)體積分?jǐn)?shù)的碳納米管填料加入SU8膠體中，以二甲苯作溶劑，機(jī)械攪拌均勻后，放入超聲波中進(jìn)行大約15分鐘的處理即可。
本實(shí)施例工作時(shí)，以左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層為電極向SU8膠懸臂梁中通入電流，由于電熱作用使梁體發(fā)生膨脹形變，改變電流大小可改變梁體伸縮的程度，從而使得電熱驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器可控。
如圖4所示為一個(gè)用于微流體系統(tǒng)的流量可控閥門，本實(shí)施例的SU8膠電熱微執(zhí)行器具有電熱致動(dòng)效果，可安裝在閥門的活動(dòng)部件上用來控制閥門的開關(guān)。在本實(shí)施例中，具有較大彈性系數(shù)的PDMS薄膜為控制流體流量的可活動(dòng)部件，與下面的基底之間存在一定的間隙。將電熱微致動(dòng)器的推進(jìn)塊與PDMS薄膜連接，微執(zhí)行器工作時(shí)推動(dòng)PDMS薄膜使下面微流體通道變小直到實(shí)現(xiàn)完全的阻流，不工作時(shí)微執(zhí)行器收縮，PDMS薄膜恢復(fù)原狀，微閥門開啟。
權(quán)利要求
1.一種用于直線推進(jìn)的多弧結(jié)構(gòu)的改性SU8電熱微執(zhí)行器，其特征在于，由SU8膠懸臂梁、與外部電路連接的左導(dǎo)電層、右導(dǎo)電層構(gòu)成，SU8懸臂梁形狀為多弧狀結(jié)構(gòu)，用于直線推進(jìn)，為玻璃基底上制作的懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁梁體為摻入納米碳管的SU8膠，左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層SU8膠懸臂梁的上方，通過下面的左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層與玻璃基底相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型SU8電熱微執(zhí)行器，其特征是，所述的SU8膠懸臂梁由左基座、左底部連接塊、左弧形梁體、左頂部連接塊、推進(jìn)塊、右頂部連接塊、右弧形梁體、右底部連接塊、右基座構(gòu)成，其連接關(guān)系左基座和左弧形梁體通過左底部連接塊連接，左弧形梁體和推進(jìn)塊通過左頂部連接塊連接，推進(jìn)塊和右弧形梁體通過右頂部連接塊連接，右弧形梁體和右基座通過右底部連接塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型SU8膠電熱致動(dòng)微執(zhí)行器，其特征是，所述的左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層分別位于左基座和右基座的上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的新型SU8膠電熱致動(dòng)微執(zhí)行器，其特征是，所述的SU8懸臂梁用于直線推進(jìn)，可以將懸臂梁結(jié)構(gòu)從玻璃基底上卸下，安裝在微機(jī)電結(jié)構(gòu)上使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型SU8膠電熱致動(dòng)微執(zhí)行器，其特征是，所述的左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層為電極向SU8膠懸臂梁中通入電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種MEMS微制造技術(shù)領(lǐng)域的用于直線推進(jìn)的多弧結(jié)構(gòu)的改性SU8電熱微執(zhí)行器。由SU8膠懸臂梁、與外部電路連接的左導(dǎo)電層、右導(dǎo)電層構(gòu)成，SU8懸臂梁形狀為多弧狀結(jié)構(gòu)，用于直線推進(jìn)，為玻璃基底上制作的懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁梁體為摻入納米碳管的SU8膠，左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層SU8膠懸臂梁的上方，通過下面的左導(dǎo)電層和右導(dǎo)電層與玻璃基底相連。本發(fā)明得到機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性大大增加的懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)有利于減少工作的電流和降低工作溫度；采用電熱致動(dòng)方式輸出作用力大，動(dòng)作可靠；工作電流較小，溫度較低，對(duì)環(huán)境影響小，適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1923670SQ20061011629
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 陳實(shí), 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)