一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法及裝置的製作方法
2023-05-16 06:28:21
專利名稱：一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法及裝置。
背景技術：
隨著微米納米加工製造技術的飛速發展，納/微電子機械系統(Nano/Mi cro electromechanical systems,NEMS/MEMS)器件逐漸成為科學界、產業界以及普通民眾所關心的熱點領域。如MEMS微加速度計、MEMS微陀螺儀在民用汽車防撞氣囊中的廣泛應用； MEMS光開關、可變光衰減器等在全光通訊領域以及信息傳輸領域的廣泛應用前景均體現出 NEMS/MEMS強大的生命力。NEMS/MEMS器件的設計至今都非常依賴於微加工技術的發展，而微加工技術源於微電子器件的加工技術，是一種典型的平面加工技術。微加工技術以光刻、薄膜生長、刻蝕的技術作為核心技術，只能在平面內加工出不同形貌的圖形，而在深度方向上的加工除了垂直刻蝕，很難有更精細的加工。這也就很大層次上決定了絕大多數NEMS/MEMS器件都是平面器件，而且器件往往只能在平面內運動(共面驅動力)。國際上也有科學家應用鉸鏈、電場驅動等多種方式的綜合，通過複雜的傳動機構， 將給器件一個平面外的作用力(離面驅動力)，使得器件可以完成一些簡單的翻轉動作，從而達到一定意義上的3D器件。但這種驅動方式很難控制，往往都是通過卡子等結構的設計，讓器件豎起後固定在垂直或者一定角度的位置上。這種方式不能完成可控、可逆的器件操作，只是一次性的成型。因此，NEMS/MEMS器件的設計中對於可控可逆的離面驅動方式具有很強烈的需求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法及裝置， 可實現NEMS/MEMS器件的離面驅動。本發明提供的一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法是1)在彈性微懸臂梁的表面滴上預定量的可帶電液滴，所述可帶電液滴在表面張力的作用下將微懸臂梁的懸臂一端彎曲一定的角度，使所述微懸臂梁的懸臂一端翹起預定的高度；2)在所述微懸臂梁的表面設置第一電極，該第一電極與所述可帶電液滴相接，在所述微懸臂梁的下方並位於所述可帶電液滴的下方位置設置第二電極；3)通過所述第一電極和第二電極施加外加電場，所述可帶電液滴通過所述第一電極帶上電，電場對帶上電的液滴施加朝向所述第二電極的力；4)在電場力、液滴表面張力與所述微懸臂梁自身彈性力三個力的共同作用下，通過調節電場的大小，從而控制所述微懸臂梁在垂直於所述微懸臂梁表面方向上的可逆的彎
曲ο本發明還提供一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動裝置，包括
彈性微懸臂梁，一端設置在基底上，所述微懸臂梁間隔所述基底適當的間距，所述懸臂梁的上表面具有滴附預定量可帶電液滴的滴液區；第一電極，形成在所述懸臂梁的上表面，並位於所述懸臂梁的遠離懸臂的一端，第一電極部分位於所述滴液區內；第二電極，形成在所述基底的表面，並位於所述滴液區的下方；所述滴液區滴附預定量的可帶電液滴後，通過所述第一電極和第二電極施加外加電場，所述可帶電液滴通過所述第一電極帶上電，電場對帶上電的液滴施加朝向所述第二電極的力，在電場力、液滴表面張力與所述微懸臂梁自身彈性力三個力的共同作用下，通過調節電場的大小，從而控制所述微懸臂梁在垂直於所述微懸臂梁表面方向上的可逆的彎曲ο本發明通過電場力與液體表面張力垂直分量的共同作用下，能夠實現對於微小結構在垂直平面方向上的可控可逆彎曲，因此，本發明是一種有效的NEMS/MEMS器件離面驅動方式。
圖1為本發明驅動裝置結構示意圖；圖2為本發明滴附上可帶電液滴後，液氣界面張力與電場力共同作用下微懸臂梁的彎曲狀態示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。首先製備所需的微懸臂梁器件，如圖1所示，通過現有的表面犧牲層工藝製備懸臂梁器件，使基底1表面形成一個距離基底1適當間距的微懸臂梁2，微懸臂梁2的上表面具有滴附預定量可帶電液滴的滴液區7，在微懸臂梁2的上表面形成第一電極3，第一電極3 位於微懸臂梁2的遠離懸臂的一端，第一電極3部分位於滴液區7內，以便於在滴液區內7 滴上可帶電液滴時與可帶電液滴相導通，並使可帶電液滴帶電。在基底1的表面形成第二電極4，第二電極4位於滴液區的下方。然後，在微懸臂梁表面的滴液區7滴放一滴液體(本發明實施例中採用水)液滴 5，並使液滴5的前端，即固液氣三相接觸線位於微懸臂梁2表面。這樣，在液滴5表面張力的作用下，微懸臂梁2的懸臂端就會向上彎曲，形成一個彎曲角度θ，如圖2所示。由於液滴5表面張力的存在，微懸臂梁2的懸臂端向上彎曲。但是微懸臂梁2存在彈性，因此在彈性力與表面張力的平衡下，微懸臂梁2的懸臂端向上彎曲至一個最大的彎曲角度ΘΜΧ。通過第一電極3和第二電極4施加外加電場6，由於液滴5與第一電極3接觸，因此液滴5就會導電，同時液滴5在電場6的作用下被施加朝向第二電極4的力，因此在電場作用下，液滴5將會存在向下運動的趨勢，帶動微懸臂梁2向下彎曲，如圖2所示。調整第一電極3和第二電極4之間的電場的大小，隨著外加電場作用的增大，微懸臂梁2的懸臂端的傾斜角θ將會逐漸減小直到微懸臂梁2完全平鋪，θ =0。這樣，在電場力、液滴5表面張力與微懸臂梁2自身彈性力三個力的共同作用下，微懸臂梁2將可以完成在垂直平面方向上可控可逆的彎曲，從而實現器件在平面外方向上的驅動。
相比常見的僅電場力驅動的方式，這種離面驅動方式中表面張力的存在可以有效的避免微懸臂梁發生靜電吸和作用(Pull-in)，從而提高了器件的實用性。而且電極間沒有電流產生，因此這種驅動方式還可以被廣泛的應用於微生化晶片、晶片上的實驗室(lab on a chip)等多種器件中。
權利要求
1.一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法，該方法是1)在彈性微懸臂梁的表面滴上預定量的可帶電液滴，所述可帶電液滴在表面張力的作用下將微懸臂梁的懸臂一端彎曲一定的角度，使所述微懸臂梁的懸臂一端翹起預定的高度；2)在所述微懸臂梁的表面設置第一電極，該第一電極與所述可帶電液滴相接，在所述微懸臂梁的下方並位於所述可帶電液滴的下方位置設置第二電極；3)通過所述第一電極和第二電極施加外加電場，所述可帶電液滴通過所述第一電極帶上電，電場對帶上電的液滴施加朝向所述第二電極的力；4)在電場力、液滴表面張力與所述微懸臂梁自身彈性力三個力的共同作用下，通過調節電場的大小，從而控制所述微懸臂梁在垂直於所述微懸臂梁表面方向上的可逆的彎曲。
2.一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動裝置，其特徵在於，包括彈性微懸臂梁，一端設置在基底上，所述微懸臂梁間隔所述基底適當的間距，所述懸臂梁的上表面具有滴附預定量可帶電液滴的滴液區；第一電極，形成在所述懸臂梁的上表面，並位於所述懸臂梁的遠離懸臂的一端，第一電極部分位於所述滴液區內；第二電極，形成在所述基底的表面，並位於所述滴液區的下方；所述滴液區滴附預定量的可帶電液滴後，通過所述第一電極和第二電極施加外加電場，所述可帶電液滴通過所述第一電極帶上電，電場對帶上電的液滴施加朝向所述第二電極的力，在電場力、液滴表面張力與所述微懸臂梁自身彈性力三個力的共同作用下，通過調節電場的大小，從而控制所述微懸臂梁在垂直於所述微懸臂梁表面方向上的可逆的彎曲。
全文摘要
本發明公開了一種微尺度下基於電場控制的表面張力驅動方法，該方法是1)在彈性微懸臂梁的表面滴上預定量的可帶電液滴，可帶電液滴在表面張力的作用下將微懸臂梁的懸臂一端彎曲一定的角度，使微懸臂梁的懸臂一端翹起預定的高度；2)在微懸臂梁的表面設置第一電極，該第一電極與可帶電液滴相接，在微懸臂梁的下方並位於可帶電液滴的下方位置設置第二電極；3)通過第一電極和第二電極施加外加電場，可帶電液滴通過第一電極帶上電，電場對帶上電的液滴施加朝向第二電極的力；4)在電場力、液滴表面張力與微懸臂梁自身彈性力三個力的共同作用下，通過調節電場的大小，從而控制微懸臂梁在垂直於微懸臂梁表面方向上的可逆的彎曲。
文檔編號B81B3/00GK102502476SQ201110342208
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者王子千, 趙亞溥 申請人:中國科學院力學研究所