柔性mems減阻蒙皮的製造方法
2024-02-24 10:19:15 1
專利名稱：柔性mems減阻蒙皮的製造方法
技術領域：
本發明涉及微製造和柔性MEMS技術領域，尤其涉及一種柔性MEMS(Micrc) Electro-Mechanical Systems)減阻蒙皮的製造方法。
背景技術：
水面及水下航行體行駛時所受到的行進阻力包括壓差阻力、行波阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常佔據最大比重，對於長度和長寬比/長徑比較大的航行體尤其如此。因此，降低航行體表面摩擦阻力能夠有效地提高航速、增加航程、降低能耗，具有巨大的經濟價值。目前摩阻減阻技術的理論和應用研究主要集中在湍流邊界層，涉及多種技術方案，例如表面形貌減阻(如肋條減阻)、仿生減阻(如柔順壁減阻)等無源減阻方式，以及聚合物添加劑減阻、注入氣泡減阻等需要注入物質或消耗能量的減阻方式。在航行體表面形成一層氣膜是現今理論減阻率最高的減阻方式之一，近年來受到了廣泛的關注。主要思想為以氣膜將航行體大部分外表面包裹，從而變液-固界面為液-氣-固界面，大大減小摩擦阻力。目前主要以超空化和噴入氣體兩種方式形成氣膜。對於噴氣方式，需要額外的氣體噴射系統，並且該系統必需持續工作，這對航行體的動力系統是較大負擔。對於超空化方式，存在空化噪聲，而且需要採用特殊的發動機，且功耗極大。中國發明專利「柔性MEMS減阻蒙皮及其製造方法」(專利號ZL200910079713. 0， 授權公告日2011年1月沈日)公開了一種利用駐留微氣泡實現減阻的減阻蒙皮及其製造方法。其製造方法不足之處在於採用了逆序方法製備減阻蒙皮，即先製備柔性材料薄膜表層，然後製備柔性材料薄膜襯底。從而帶來了以下兩個問題①、需要存在中間工序採用體矽刻蝕工藝將硬質基底矽片完全去除，增加了工藝的難度以及成本；②、需要存在單獨的工序以加工形成連接外部供電導線的焊接部位。
發明內容
針對上述問題，本發明提供一種改進的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其採用正序方法並簡化了製造工藝。為達到上述目的，本發明所述柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，包括如下步驟步驟1、在基底上製備一層中間夾層；步驟2、在完成步驟1的所述基底上製備一層柔性襯底；步驟3、在完成步驟2的所述基底上形成一層金屬層，並採用MEMS平面微細工藝在所述金屬層上形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線；步驟4、在完成步驟3的所述基底上製備一層柔性表層，並通過光刻或刻蝕形成微凹坑陣列以及連接外部供電導線的焊接部位；步驟5、將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上剝離下來。進一步地，所述中間夾層的聚合物為PDMS (聚二甲基矽氧烷)，該聚合物固化前的
3預聚物中固化劑與PDMS單體的質量配比為0.05 0.2 1。進一步地，所述柔性襯底的聚合物為聚醯亞胺。進一步地，所述金屬圖案的金屬材料為鉬。進一步地，所述的MEMS平面微細工藝包括甩膠、光刻、濺射和超聲剝離。進一步地，所述柔性表層的聚合物為SU-8光刻膠或聚醯亞胺。進一步地，其中，步驟5的具體實現步驟如下使用薄刀片和尖頭鑷子將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上機械剝離下來。進一步地，其中，步驟5的具體實現步驟如下將完成步驟4的所述基底浸泡在有機化學溶劑中，以溶解所述中間夾層或改變所述中間夾層的性質，將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上脫落。本發明的有益效果是1.本發明採用正序方法，先製備柔性襯底，然後製備柔性表層，減少了工序，簡化了製作工藝。2.選用PDMS (聚二甲基矽氧烷)作為中間夾層。PDMS薄膜具有高度的柔性以及較小的表面能，便於使用薄刀片和尖頭鑷子對形成在所述中間夾層上方的蒙皮結構與基底進行機械分離。同時，PDMS對有機溶劑，如丙酮、四氫呋喃等等，具有吸脹作用，吸脹後的PDMS 表面粘性變得極弱，並且會發生變形，產生內應力，便於實現蒙皮結構的自然脫落。3.選用SU-8光刻膠作為表層材料。SU-8光刻膠光刻性能好，能夠實現小尺寸，大深寬比、高陡直度的凹坑結構。同時，SU-8光刻膠物理化學性能穩定，製備的減阻蒙皮能夠滿足不同環境下的使用要求。
圖1是本發明所述柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法的一具體實施例的流程圖；圖2是本發明所述的硬質基底的結構示意圖；圖3是本發明在所述硬質基底上製備一層中間夾層的結構示意圖；圖4是本發明在所述中間夾層上製備一層柔性襯底的結構示意圖；圖5是本發明在所述柔性襯底上形成一層含有電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線的金屬圖案的結構示意圖；圖6是本發明在所述金屬圖案層上製備一層柔性表層的結構示意圖；圖7是本發明通過對所述柔性表層進行光刻或刻蝕，形成微凹坑陣列以及引線端子焊接部位的結構示意圖；圖8是本發明從硬質基底上分離後的減阻蒙皮的結構示意圖。附圖標記1-基底；2-中間夾層；3-柔性襯底；4-電解陽極；5-電解陰極；6-陽極引線端子；7-陰極引線端子；8-柔性表層；9-微凹坑。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明做進一步的描述。
如圖1所示，本發明所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，包括如下步驟步驟1、準備基底1。該基底最好選為硬質基底，如單拋矽片或經拋光後的金屬薄板，如圖2所示。步驟2、在所述基底1上旋塗聚合物的預聚物，固化後形成中間夾層2，如圖3所述。所述聚合物為PDMS，該聚合物固化前的預聚物中固化劑與PDMS單體的質量配比為 0. 05 0. 2 1。步驟3、在完成步驟2的所述基底1上旋塗聚合物的預聚物，固化後形成柔性襯底 3，如圖4所述。所述聚合物為聚醯亞胺。步驟4、在完成步驟3的所述基底1上形成一層金屬層，並採用MEMS平面微細工藝在所述金屬層上形成電解陽極4、電解陰極5、陽極引線端子6、陰極引線端子7和內部連線，如圖5所示。其中，所述的金屬圖案優選材料為鉬，以便電解電極在電解水反應中穩定不損耗。所述的MEMS平面微細工藝具體包括甩膠、光刻、濺射和超聲剝離。步驟5、在完成步驟4的所述基底1上旋塗聚合物的預聚物，固化後形成柔性表層 8，如圖6所示。所述聚合物可光刻或刻蝕，本發明優先推薦聚醯亞胺和SU-8光刻膠。步驟6、在完成步驟5的所述基底1上對所述柔性表層8進行光刻或刻蝕，形成微凹坑9陣列以及連接外部供電導線的焊接部位，如圖7所示。所述的陽極引線端子6和陰極引線端子7通過內部連接分別與每個微凹坑內的電解陽極4和電極陰極5導通。步驟7、將形成在所述中間夾層2上方的結構從所述基底1上剝離下來，形成如圖 8所示結構的減阻蒙皮。其中，該步驟可具體通過兩種方式實現，方式一，採用機械方式將其分離，如使用薄刀片從中間夾層處將減阻蒙皮結構剃下來，或使用鑷子將蒙皮結構從中間夾層處撕下。方式二，採用化學方式將其分離，如將基底以及已經製備好的中間夾層、柔性襯底、金屬薄膜層以及柔性表層作為整體浸泡在有機化學溶劑中，以溶解中間夾層，或改變中間夾層的性質，使得蒙皮結構自然脫落。實施例1 製造方法包括如下步驟1. 1、準備硬質基底選用普通單拋矽片作為整個柔性減阻蒙皮加工的載體。1. 2、製備中間夾層將PDMS單體與固化劑以單體的質量比為5 1 20 1的比例混合，充分攪拌均勻並抽真空處理15min以去除混合液中的氣泡。使用勻膠機將攪拌均勻的混合溶液旋塗在硬質基底上，然後置於烘箱，在90°C下加熱60min使PDMS固化。本步驟中，通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的PDMS 薄膜。本實施例中PDMS薄膜的厚度為20 μ m。1. 3、製備柔性襯底在中間夾層上旋塗聚醯亞胺預聚體塗層膠，並加溫固化。本步驟中，通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的聚醯亞胺薄膜。本實施例中聚醯亞胺薄膜的厚度為20 μ m。1.4、製備金屬圖案層在所述柔性襯底上形成一層金屬層，並在所述金屬層上採用MEMS平面微細工藝製備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線。即採用甩膠-光刻-濺射-超聲剝離的工藝在聚醯亞胺層(即柔性襯底) 上製備鉬圖形，鉬層厚度為2000A。1. 5、製備柔性表層在所述柔性襯底和所述金屬圖案上旋塗SU-8光刻膠，然後置於烘箱內進行前烘。本步驟中，通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的SU-8光刻膠薄膜。本實施例中SU-8光刻膠薄膜的厚度為50 μ m。1. 6、光刻對上述步驟中製備的SU-8光刻膠進行曝光、顯影以及後烘，形成微凹坑以及引線端子焊接部位。1. 7、分離蒙皮結構將所述硬質基底以及已經製備好的中間夾層、柔性襯底、金屬薄膜層以及柔性表層作為整體浸泡在盛有四氫呋喃溶液的燒杯中，並將燒杯置於超聲清洗機中，輔助以超聲振動，實現蒙皮結構的自然脫落。實施例2 製造方法包括如下步驟2. 1、準備硬質基底選用經拋光後的金屬薄板作為整個柔性減阻蒙皮加工的載體。2. 2、製備中間夾層將PDMS單體與固化劑以質量比為5 1 20 1的比例混合，充分攪拌均勻並抽真空處理15min以去除混合液中的氣泡。使用勻膠機將攪拌均勻的混合溶液旋塗在硬質基底上，然後置於烘箱，在90°C下加熱60min使PDMS固化。本步驟中， 通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的PDMS薄膜。本實施例中PDMS薄膜的厚度為200 μ m。2. 3、製備柔性襯底在中間夾層上旋塗聚醯亞胺預聚體塗層膠，並加溫固化。本步驟中，通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的聚醯亞胺薄膜。本實施例中聚醯亞胺薄膜的厚度為50 μ m。2. 4、製備金屬圖案層在所述柔性襯底上形成一層金屬層，並在所述金屬層上採用MEMS平面微細工藝製備金屬圖案，形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線。即採用甩膠-光刻-濺射-超聲剝離的工藝在聚醯亞胺層(即柔性襯底) 上製備鉬圖形，鉬層厚度為2000A。2. 5、製備柔性表層在所述柔性襯底和所述金屬圖案上旋塗聚醯亞胺預聚體塗層膠，並加溫固化。本步驟中，通過調節勻膠機的轉速以及選擇不同的勻膠-固化次數可以得到不同厚度的聚醯亞胺薄膜。本實施例中聚醯亞胺薄膜的厚度為50 μ m。2. 6、刻蝕對上述步驟中製備的聚醯亞胺薄膜進行刻蝕，形成微凹坑以及引線端子焊接部位，刻蝕深度以露出金屬圖案為準。2. 7、分離蒙皮結構使用薄刀片和鑷子將蒙皮結構從中間夾層處與硬質基底分離開來。以上實施例均採用本發明的方法，其中所列的具體工藝方法、參數以及尺寸僅是舉例，而非對本發明方法適用範圍的限制。任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求所界定的保護範圍為準。
權利要求
1.一種柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟1、在基底上製備一層中間夾層；步驟2、在完成步驟1的所述基底上製備一層柔性襯底；步驟3、在完成步驟2的所述基底上形成一層金屬層，並採用MEMS平面微細工藝在所述金屬層上形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線；步驟4、在完成步驟3的所述基底上製備一層柔性表層，並通過光刻或刻蝕形成微凹坑陣列以及連接外部供電導線的焊接部位；步驟5、將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上剝離下來。
2.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，所述中間夾層的聚合物為PDMS，該聚合物固化前的預聚物中固化劑與PDMS單體的質量配比為0. 05 0. 2 1。
3.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，所述柔性襯底的聚合物為聚醯亞胺。
4.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，所述金屬層的金屬材料為鉬。
5.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，所述的MEMS平面微細工藝包括甩膠、光刻、濺射和超聲剝離。
6.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，所述柔性表層的聚合物為SU-8光刻膠或聚醯亞胺。
7.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，其中，步驟5的具體實現步驟如下使用薄刀片和尖頭鑷子將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上機械剝離下來。
8.根據權利要求1所述的柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，其特徵在於，其中，步驟5的具體實現步驟如下將完成步驟4的所述基底浸泡在有機化學溶劑中，以溶解所述中間夾層或改變所述中間夾層的性質，將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上脫落。
全文摘要
本發明公開一種柔性MEMS減阻蒙皮的製造方法，主要是為了提供一種改進的製造工藝而設計。本發明所述的減阻蒙皮的製造方法，包括步驟1、在基底上製備一層中間夾層；步驟2、在完成步驟1的所述基底上製備一層柔性襯底；步驟3、在完成步驟2的所述基底上形成一層金屬層，並採用MEMS平面微細工藝在所述金屬層上形成電解陽極、電解陰極、陽極引線端子、陰極引線端子和內部連線；步驟4、在完成步驟3的所述基底上製備一層柔性表層，並通過光刻或刻蝕形成微凹坑陣列以及連接外部供電導線的焊接部位；步驟5、將形成在所述中間夾層上方的結構從所述基底上剝離下來。本發明採用正序方法，先製備柔性襯底，然後製備柔性表層，減少了工序，簡化了製作工藝。
文檔編號B81C1/00GK102336394SQ201110328910
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者朱效谷, 李勇, 李文平 申請人:清華大學