專利名稱:一種基于表面張力的微尺度驅動方法和裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種基于表面張力的微尺度驅動方法和裝置。
背景技術:
微電子機械系統(tǒng)(MEMQ在近年來一直是國際學術界以及產(chǎn)業(yè)界最為熱點的研究領域。MEMS器件功能強大,體積小、成本低,便攜并且低能耗,具有常規(guī)傳感器、執(zhí)行器所不具備的優(yōu)勢。近年來MEMS系統(tǒng)已經(jīng)在生物醫(yī)藥、汽車、手機等眾多直接關系人民生活的領域做出了驕人的成績,在近年來熱議的物聯(lián)網(wǎng)體系中也是至關重要的一個關鍵環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)MEMS器件的多種功能,需要各種驅動力讓可動的微尺度器件運動起來。 在常見的MEMS器件中,電場力是最重要最廣泛使用的驅動力。除此之外,電熱作用、電磁力、壓電效應也是MEMS中常見的驅動作用。但是,這些已有MEMS器件驅動作用存在一個共同的弱點,那就是驅動能力比較低。以最常見的平行板電容驅動器為例,驅動力由如下公式描述
FV2SFe =
2d2其中,ε表示空氣介電常數(shù),V表示電壓,S表示電極面積,d表示電極間距。如果取常見100 μ m邊長正方形電極為例,電極間距去5 μ m,電壓去10V,那么電場力計算得到FE =0. 177 μ N。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于表面張力的微尺度驅動方法和裝置,能夠提供更大的微驅動力。本發(fā)明提供的一種基于表面張力的微尺度驅動方法是在具有適當厚度的柔性懸臂梁的表面形成一層親液層,然后在該親液層上滴上預定量的液滴;所述液滴在表面張力的作用下將懸臂梁彎曲一定的角度,從而使所述懸臂梁的端部翹起預定的高度。優(yōu)選地,在所述懸臂梁的表面還形成有一層疏液層,該疏液層位于靠近所述懸臂梁的端部的位置。優(yōu)選地,所述懸臂梁為具有適當長寬高的SiN。優(yōu)選地,所述親液層為親水Si02、Al或Au材料其中的一種或一種以上,所述疏液層為疏水Parylene、Teflon、PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料其中的一種或一種以上,所述液滴為水、乙醇、硅油材料其中的一種或一種以上。本發(fā)明提供的一種基于表面張力的微尺度驅動裝置,該裝置包括形成在基底表面的柔性懸臂梁,該懸臂梁具有適當?shù)拈L度、寬度和高度,在所述懸臂梁的表面形成有一層親液層;通過在該親液層上滴上預定量的液滴,所述液滴在表面張力的作用下將懸臂梁彎曲一定的角度,從而使所述懸臂梁的端部翹起預定的高度。
優(yōu)選地,在所述懸臂梁的表面還形成有一層疏液層,該疏液層位于靠近所述懸臂梁的端部的位置。優(yōu)選地,所述親液層為親水Si02、Al或Au材料其中的一種或一種以上,所述疏液層為疏水Parylene、Teflon, PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料其中的一種或一種以上,所述液滴為水、乙醇、硅油材料其中的一種或一種以上。本發(fā)明通過采用液滴與親液層的表面之間的張力來驅動柔性懸臂梁彎曲,從而能夠為微電子機械系統(tǒng)提供更大的微驅動力。
圖Ia j為本發(fā)明懸臂梁表面張力驅動的形成過程示意圖;圖2a、b為本發(fā)明懸臂梁在滴上液滴前、后的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。本發(fā)明的表面驅動原理如下表面張力驅動下的驅動力計算公式為Fy = YlvIsin θ其中,Ylv表示液-氣界面張力(液體表面張力),1表示固液接觸線長度,θ表示接觸角。以水滴為例,Ylv = 72X10_3N/m,1 = 100 μ m,接觸角取90q。由此可以計算同樣一條懸臂梁表面,固液界面張力所起到的驅動力Fy =7. 2 μ N。這個驅動力是電場驅動力的40倍,而達到同樣的驅動效果,需要電壓達到63V。如果器件尺寸減小一個量級,即取1 = lOym,那么表面張力驅動力將會是電場力驅動力的400倍。因此,在微小尺度下,表面張力將會為MEMS器件提供一種更加強大有效的驅動力,而且這個力不需要外界能源輸入,只要液滴在懸臂梁表面就可以完成。本發(fā)明應用于MEMS器件驅動的方式描述如下以微懸臂梁器件為例。首先通過常規(guī)MEMS表面犧牲層工藝加工制備微懸臂梁,如圖Ia j所示,加工過程中,首先在基底Sil的表面CVD淀積犧牲層材料2(圖lb);之后, 通過光刻和DRIE方法刻蝕定義錨點位置(圖Ic),隨之通過CVD淀積SiN材料作為懸臂梁 3(圖Id),再濺射親水Au層4(圖Ie);隨之通過光刻、腐蝕手段定義親水區(qū)(圖If);之后通過CVD手段淀積Teflon疏水層5 (圖Ig),并光刻、等離子體刻蝕形成疏水區(qū)(圖Ih);繼續(xù)通過DRIE手段刻蝕SiN懸臂梁3 (圖Ii),并釋放懸臂梁3 (圖1 j)。形成的懸臂梁3的長度、寬度和厚度為長500 μ m、寬100 μ m、厚在3 5 μ m。形成的懸臂梁器件如圖Ij所示。懸臂梁3表面親水區(qū)用固定水滴,而疏水區(qū)限制了水滴在懸臂梁3表面的鋪展。親水區(qū)金與水的接觸角在30 2以下而疏水區(qū)Teflon材料的接觸角在1202左右,因此,當一滴水被滴在懸臂梁3表面處,如圖加所示,液滴將會自動運動至親水表面上,并保證固液接觸線會被限制在親水區(qū)和疏水區(qū)的交替部分。由于液滴的表面張力會在固液接觸線處集中,因此在張力的作用下,微懸臂梁3將會被向上彎曲,如圖2b所示,從而達到驅動的目的。針對親水層可以選取SiO2, Al或者Cu等親水材料;疏水層可以選取Parylene,PDMS (聚二甲基硅氧烷)等疏水材料。液體也可選取乙醇、硅油等。
綜上所述,本發(fā)明通過采用液滴的表面張力來進行MEMS器件驅動,相比電場力驅動方式,表面張力驅動方式具有驅動力大,無需外界能量輸入的特點。
權利要求
1.一種基于表面張力的微尺度驅動方法,該方法是在具有適當厚度的柔性懸臂梁的表面形成一層親液層,然后在該親液層上滴上預定量的液滴;所述液滴在表面張力的作用下將懸臂梁彎曲一定的角度,從而使所述懸臂梁的端部翹起預定的高度。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,在所述懸臂梁的表面還形成有一層疏液層, 該疏液層位于靠近所述懸臂梁的端部的位置。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述懸臂梁為具有適當長寬高的SiN。
4.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述親液層為親水Si02、Al或Au材料其中的一種或一種以上,所述疏液層為疏水Parylene、Tef Ion、PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料其中的一種或一種以上,所述液滴為水、乙醇、硅油材料其中的一種或一種以上。
5.一種基于表面張力的微尺度驅動裝置,其特征在于,該裝置包括形成在基底表面的柔性懸臂梁,該懸臂梁具有適當?shù)拈L度、寬度和高度,在所述懸臂梁的表面形成有一層親液層;通過在該親液層上滴上預定量的液滴,所述液滴在表面張力的作用下將懸臂梁彎曲一定的角度,從而使所述懸臂梁的端部翹起預定的高度。
6.如權利要求5所述的裝置,其特征在于,在所述懸臂梁的表面還形成有一層疏液層, 該疏液層位于靠近所述懸臂梁的端部的位置。
7.如權利要求5所述的裝置,其特征在于,所述親液層為親水Si02、Al或Au材料其中的一種或一種以上,所述疏液層為疏水Parylene、Tef Ion、PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料其中的一種或一種以上,所述液滴為水、乙醇、硅油材料其中的一種或一種以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于表面張力的微尺度驅動方法,該方法是在具有適當厚度的柔性懸臂梁的表面形成一層親液層,然后在該親液層上滴上預定量的液滴;所述液滴在表面張力的作用下將懸臂梁彎曲一定的角度,從而使所述懸臂梁的端部翹起預定的高度。本發(fā)明還公開了一種基于表面張力的微尺度驅動裝置。本發(fā)明通過采用液滴與親液層的表面之間的張力來驅動柔性懸臂梁彎曲,從而能夠為微電子機械系統(tǒng)提供更大的微驅動力。
文檔編號B81B7/00GK102502475SQ20111034182
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者王子千, 趙亞溥 申請人:中國科學院力學研究所