基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器及其製備方法

2023-05-06 11:13:46

專利名稱：基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器及其製備方法
技術領域：
本發明提出了一種基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器及其製備方法，驅動器採用雙金屬膜複合結構並通過電化學原理工作，屬於自動控制技術或者微機電系統技術領域。
微驅動器是微機電系統(MEMS)的核心，八十年術第一個靜電型微馬達(微驅動器)誕生引起轟動，此後基於各種不同驅動機制的微驅動器相繼出現，除了傳統的電磁和靜電驅動之外，還有壓電、形狀記憶、熱氣動、電致伸縮、磁致伸縮以及電化學效應等驅動的微驅動器。儘管如此，微驅動器的現狀與實用化的要求尚有一定差距，探索更有效的新驅動機制仍然是其尋求突破的重要方向之一。
目前，驅動力矩和壽命是評價一個微驅動器性能優劣的主要指標，從驅動機理和近年來所取得的進展分析，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動的微驅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生體積膨脹與收縮而實現機械驅動。由此可見，利用薄膜材料的伸縮振動特性實現微驅動具有一定的優勢。
貯氫金屬(合金)能夠吸收大量氫氣並在一定條件下可逆地放出，並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20％以上，遠高於形狀記憶合金所能達到的水平，因此，利用貯氫合金薄膜吸氫膨脹特性設計新型微驅動器，可以顯著提升微驅動器的驅動能力。由於可以通過電化學反應控制貯氫合金吸收和釋放氫過程，進而控制微驅動器，所以它被稱為電化學微驅動器。
吸氫合金曾被用於製造醫療康復用途的常規執行器(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)，但這種驅動器並不是貯氫合金直接驅動的，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，達到改變氣體供給量的目的。與傳統的液壓、氣動或電動裝置相比，該類執行器具有體積小、重量輕和無噪聲操作的特點，可以象人體關節一樣柔性運動。
迄今為止，見諸報導的電化學微驅動器有兩種基本類型，其一是利用密閉在特定腔室內的電極通過電化學反應產生氣體，從而改變封閉微腔內的氣體總量，使腔內氣壓變化，藉以驅動作為腔壁之一的彈性膜運動(C.R.Neagu et al，Anelectrochemical microactuatorprincipal and first results，journal ofmicroelectromechanical systems，Vol.5(1996)，P2-9)。這種結構與傳統的氣動微驅動器相比在驅動能力上沒有什麼優勢，氣體的產生和消耗過程都很慢，卻又不能實現斷電姿態保持，但具有工作電壓低，常溫操作的特點，這是電化學反應的本質所決定的；第二種是基於導電聚合物在氧化/還原反應過程中體積變化原理的有機薄膜微驅動器(E.W.H.Jager，E.Smela，O.Inganas et al，Polypyrrolemicroactuators，Synthetic metals 102(1999)1309-1310)，該類驅動器雖然克服了需要藉助氣體產生驅動力的中間過程，有點像雙金屬膜結構微驅動的工作方式，但是疏鬆的聚合薄膜機械強度很低，其膨脹所能產生的驅動力有限。
為實現這樣的目的，本發明採用貯氫合金薄膜作為驅動介質設計新型的電化學微驅動器。基於貯氫合金薄膜的電化學微驅動器的核心結構是由貯氫合金薄膜與性質穩定的襯底薄膜構成的雙金屬膜疊層結構，該雙金屬膜結構電極的一部分固定附著在一定的基座上，其餘懸空，構成能夠隨著電極反應進程產生形態變化的複合驅動電極，該驅動電極與輔助電極構成電極對，浸入適當的電解液中，便可以通過施加直流電壓(流)而操控雙金屬膜電極實現微驅動，構成一種新型的電化學微驅動器。貯氫薄膜微驅動電極採用微機械加工技術製備貯氫薄膜採用濺射或者電鍍方法沉積在襯底薄膜表面，襯底薄膜既可以採用濺射、電鍍方法沉積，也可以經由刻蝕減薄較厚材料形成。多數情況下可以將兩種薄膜按一定順序沉積在特定基體上，然後採用犧牲層技術使局部微結構釋放，形成複合微驅動電極。
本發明的微複合微驅動電極採用微機械加工技術製備，具體工藝流程和材料選擇如下1、在設計用來承載微驅動器的玻璃或者陶瓷基片上濺射沉積金屬化導電層，作為打底層。基片必須能夠在以後的電解液中保持穩定，所以矽不是通常之選，它難以抗拒強鹼性電解液的腐蝕，而玻璃和陶瓷則比較合適。金屬化層是後續加工的導電起始層，一般採用Cr/Cu或者Ti/Cu雙層薄膜，每層厚度均在10-100nm之間，Ti或者Cr粘結層的目的是提高打底層與基體的結合力。
2、在打底層上製作犧牲層薄膜和固定基座。犧牲層材料需要根據驅動介質和襯底材料選擇，以便在選擇性刻蝕釋放複合驅動結構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，它不但容易藉助光刻實現選擇性加工，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成任何威脅，特別適合與活潑金屬(合金)材料構成的微結構匹配。除此之外，銅也是與鎳、鈀等金屬匹配的材料，因為在氨鹼性溶液中，銅與鎳有良好的刻蝕選擇性。使用銅作為犧牲層材料的優點還在於不需要第二次金屬化，並且可以同時形成用來固定部分驅動結構的基座。犧牲層和基座一般取同樣厚度，從工藝可行性和整體結構考慮，一般取數十微米。
3、在製作了犧牲層材料和基座的襯底上，按照一定順序先後製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動介質，如常用於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的薄膜化工藝。事實上，幾乎所有的已知吸氫材料均可以以適當的方法實現薄膜化，只是選擇適當合理的薄膜化工藝可以達到事半功倍的效果。從工作穩定性加工便利程度考慮，鈀及其合金薄膜具有明顯優勢，若僅從影響驅動能力的吸氫膨脹率考慮，則鑭鎳系稀土合金更為優越。相信隨著貯氫技術研究的深入發展，更多性能更優良的吸氫合金材料肯定會出現，也有可能會有更合適的驅動介質出現。
驅動介質薄膜的吸氫膨脹在平面內是各向同性的，一定設計的圖形化可以賦予驅動力一定的方向性，電沉積方法可以藉助於掩膜電鍍在薄膜沉積的同時完成圖形化，而大多數幹法沉積薄膜只能掩膜圖形化刻蝕實現。
驅動介質的厚度區間為0.05-2微米。
複合驅動結構的襯底材料在微驅動器中起到提供結構恢復力的作用，它提供氫釋放之後複合結構恢復初始形狀的回覆力。對它的要求首先必須在預定的電解質環境中能夠保持高度穩定，因為微驅動器工作過程中要循環施加相當強的氧化還原電位，所以襯底材料的化學穩定性必須相當好；其次要能夠方便成膜，成膜工藝與貯氫薄膜兼容，並且薄膜擁有良好的機械力學性能。儘管看起來要求很高，但是能夠滿足使用條件的材料相當多。比如在鹼性性環境中工作的鎳、貴金屬，在酸性環境中工作的各種貴金屬材料以及有機聚合物材料如聚醯亞胺、SU-8光刻膠等。在這裡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襯底膜的厚度依材料特性和對應驅動膜厚度而定，一般在1-10微米之間。
驅動介質與襯底薄膜沉積成型的順序對微驅動器的工作方式和能力有一定影響，如果採用幹法成膜然後圖形化工藝製備貯氫薄膜，則襯底在上方有一定困難，只能藉助套科加以解決，如果可以採用掩膜電沉積工藝製備驅動介質層，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構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構機械性能為宜，一般取30-200微米4、採用選擇性刻蝕劑清除部分基底犧牲層，釋放預定區域的驅動結構，形成局部懸空的複合微驅動電極。刻蝕劑需要根據前述材料組合選擇。比如對於光刻膠作為犧牲層的體系，丙酮是最佳選擇，而對於Cu/Ni/Pd體系，2％(wt)H2O2+10％(wt)NH3混合溶液可以實現刻蝕銅而不影響鎳和鈀等。
5、局部釋放的微驅動電極與Pt片輔助電極配對，置入合適的電解液中，便構成了可以實現微驅動的電化學微驅動器。電解液的選擇主要考慮的是與微電極材料體系相匹配，有助於保證各種結構材料在電極反應過程中保持穩定，當然，良好的導電性和析氫反應時沒有副反應發生也是要得到一定程度滿足的條件。通常選擇穩定性高的強酸如硫酸或鹼金屬強鹼溶液體系如氫氧化鉀、氫氧化鈉等，也可以用高化學穩定性的鹽如硫酸鈉硫酸鉀如果不考慮自放電因素，本發明所設計的電化學微驅動器的姿態具有斷電保持的能力，這一點比形狀記憶合金微驅動器優越，即使考慮自放電因素的影響，姿態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動器為了實現姿態保持而持續通電導致整體升溫。
由於貯氫合金吸氫膨脹的體積變化率遠大於常用的形狀記憶合金相應相變的體積變化率，所以該微驅動器可以在低工作電壓下實現大位移驅動。
由於驅動結構採用雙金屬膜複合結構，金屬膜的機械強度遠遠大於疏鬆的聚合物膜，所以，本發明設計的電化學微驅動器驅動力會明顯大於有機聚合物薄膜微驅動器。
正是雙金屬膜結構和電化學驅動原理決定了本發明驅動器的主要特徵，驅動電壓低，行程長，驅動力比較大，安靜而且控制方便，另外它還具有姿態保持能力。
圖2為本發明中微驅動電極的一種實現形式一懸臂梁微驅動器結構示意圖。圖中，1是平面基體，2是固定基座，3是襯底結構薄膜，4是貯氫合金薄膜，5是Pt片輔助電極，6是電介質溶液。
具體製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，然後在其上旋塗10微米SU-8光刻膠，光刻顯影以形成整個懸臂梁電極結構的電鍍圖案，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。接著採用氨性鍍鈀液在掩膜空擋處電鍍0.3微米的鈀膜，然後電鍍5微米的鎳，取出，專用溶劑去膠。採用10％(wt)氨水+2％(wt)雙氧水的混合溶液，浸泡並攪拌刻蝕犧牲層，待懸臂梁釋放完成之後，取出清洗，與鉑片電極一起置入30％的KOH溶液中，以複合雙金屬膜微驅動電極為負極，施加10mA電流，或者1-2V的直流電壓，可以發現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於平直。
權利要求
1.一種基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器，其特徵在於由貯氫合金薄膜(4)與性質穩定的襯底薄膜(3)構成雙金屬膜疊層結構，基座(2)牢固附著在基體(1)表面，雙金屬膜結構電極的一部分固定附著在基座(2)上，其餘部分釋放懸空，形成微懸臂梁、懸橋或空腔結構形式，構成能夠隨著電極反應進程產生形態變化的複合驅動電極，驅動電極與輔助電極(5)構成電極對，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微驅動。
2.一種如權利要求1所說的基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器的製備方法，其特徵在於包括在基片(1)表面沉積打底層，在打底層上沉積或塗覆以製造犧牲層和固定基座(2)，然後在此基礎上通過光刻、電鍍或者沉積刻蝕工藝製備圖形化的吸氫合金薄膜(4)和襯底薄膜(3)，形成雙金屬膜微驅動結構，最後用選擇性刻蝕劑清除部分基底犧牲層，釋放預定區域的驅動結構，形成局部懸空的複合微驅動電極。
3.如權利要求2所說的基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器的製備方法，其特徵在於吸氫合金薄膜(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
一種基於吸氫合金薄膜的電化學微驅動器及其製備方法，由貯氫合金薄膜與性質穩定的襯底薄膜構成雙金屬膜疊層結構，雙金屬膜結構電極的一部分固定附著在基座上，其餘懸空，構成能夠隨著電極反應進程產生形態變化的複合驅動電極，驅動電極與輔助電極構成電極對，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微驅動。貯氫合金薄膜採用濺射或者電鍍方法沉積在襯底薄膜表面，襯底薄膜採用濺射、電鍍方法沉積，將兩種薄膜按一定順序沉積在特定基體上，然後採用犧牲層技術使局部微結構釋放，形成複合微驅動電極。本發明驅動器驅動電壓低，行程長，驅動力比較大，安靜而且控制方便，還具有姿態保持能力。
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 優先權日2002年12月26日
發明者丁桂甫, 姚錦元, 趙小林 申請人:上海交通大學