專利名稱：基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微電子機械系統(tǒng)技術領域的制備方法，具體是一種基于在空
氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法。
背景技術：
微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是在微電子技術的基礎上興起的一門應用應用技術，而 微驅動器是微電子機械系統(tǒng)的重要組成部分。在很多領域的研究需要對微小的物體進行操 縱，比如抓取、固定、移動、轉動等。雖然現(xiàn)在有很多MEMS驅動器，但是當它們應用在生物 醫(yī)學領域時，都被偏移量太低，輸出的作用力太小，能耗太大或者是電壓太大所限制。因此 尋求一種性能良好的驅動器對生物醫(yī)學的發(fā)展顯得十分重要。在現(xiàn)有的MEMS器件驅動方 式中，熱驅動方式具有結構簡單、驅動力和輸出變形大以及易于同集成電路制造工藝相兼 容等優(yōu)點。 經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻檢索發(fā)現(xiàn)，G. Lin， C. J. Kim， S. Konishi和H. Fujita在 Solid-StateSensors and Actuators (固態(tài)傳感器和驅動器)第八次國際會議上， 第416-419頁上發(fā)表的題為"Design, fabrication and testing of a C-sh即e actuator"(設計，制造以及測試具有C_形狀驅動器)中提到的是基于聚酰亞胺和和金作 為材料制作的驅動器。雖然這種驅動器可以實現(xiàn)驅動微小物體，但是不足之處在于該驅動 器的功耗太大，以及工作時的溫度偏高，這將限制其用于生物領域，因為高溫會直接殺死細 胞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于在空氣和液體中工作的熱微 驅動器的制備方法，基于溫度的變化，即熱膨脹原理，從而使得金屬薄片的形狀發(fā)生變化， 進而對微小物體進行微操縱。 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步選擇二氧化硅的厚度為5000埃的S0I(硅-二氧化硅)基片，在二氧化硅 上旋涂光刻膠并進行曝光、顯影處理； 第二步將真空室抽真空，將蒸發(fā)舟進行升溫加電處理，最后把鋁絲連續(xù)輸送至蒸 發(fā)舟上，制成鋁層。 所述的抽真空是指將真空室內(nèi)真空度設置于4X 10—4mba ; 所述的升溫加電是指將蒸發(fā)舟升溫至1300°C 140(TC，蒸發(fā)電流為45A ; 所述的鋁絲的純度為99.9%。 所述的鋁層的厚度為1.4iim; 第三步在鋁層上真空沉積第一聚對二甲苯基層，然后采用磁控濺射法在鋁層上
依次濺射鈦層和鉑層，然后通過剝離工藝對鈦層和鉑層進行金屬圖形化處理；所述的真空沉積是指在15mTorr壓強、175°C的溫度環(huán)境下沉積聚對二甲苯基5分鐘； 所述的第一聚對二甲苯基層的厚度為0. 3 m ; 所述的磁控濺射法是指在工作氣壓為0. 6Pa、濺射電流為1 1. 5A的環(huán)境下濺
射30 120秒的鈦或鉑； 所述的鈦層的厚度為500埃； 所述的鉑層的厚度為2000埃； 所述的金屬圖形化處理是指在襯底上旋涂光刻膠并對光刻膠進行圖形化，該圖 形與待濺射的金屬圖形互補，然后在光刻膠上濺射金屬，經(jīng)顯影去除未與襯底接觸位置的 濺射金屬實現(xiàn)金屬圖形化。 第四步在鉑層上二次真空沉積第二聚對二甲苯基層，然后利用氧等離子體干法 刻蝕對第二聚對二甲苯基層進行圖形化，最后采用濕法刻蝕去除鋁層，制得基于在空氣和 液體中工作的熱微驅動器。 所述的二次真空沉積是指在15mTorr壓強、175°C的溫度環(huán)境下沉積聚對二甲苯 基4分鐘。 本發(fā)明制備所得基于聚酰亞胺和和金作為材料制作的微驅動器，雖然可以驅動微 小物體，但是驅動器的功耗偏大，在空氣中工作是需要提供7V的電壓和4mA的電流，在液體 中工作需要提供超過100V的電壓，同時溫度將達到260°C。而采用聚對二甲苯基和鉑具有 低功耗，只需提供100mW的功率即可，同時在液體中工作的溫度僅為60°C，因此可以應用于 生物領域，不會產(chǎn)生高溫殺死細胞的影響。


圖1為實施例制備微驅動器俯視圖。
圖2為本發(fā)明的制造工藝流程示意圖； 圖中1基底、2 二氧化硅、3鋁層、4第一聚對二甲苯基層、5鈦層、6鉑層、7第二聚
對二甲苯基層、8金屬電極。 圖3為實施例中剝離工藝示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 如圖l所述，通過在金屬電極上施加電壓，即可以改變器件中金屬層的溫度，從而
使得薄片巻曲，生成頂部巻曲力； 如圖2所示，本實施例包括以下步驟 第一步本技術方案選擇SOI(硅-二氧化硅)基片，其中二氧化硅的厚度為5000 埃； 第二步在二氧化硅上旋涂光刻膠并進行曝光、顯影處理； 第三步在顯影好的光刻膠上蒸鍍厚度為1. 4 i！ m的鋁層；將真空室抽真空，當真 空度達到一定(4X10-4mba以上)時，將蒸發(fā)舟升溫至1300°C 140(TC，蒸發(fā)電流為45A，然后再把純度為99. 9%的鋁絲連續(xù)送至蒸發(fā)舟上； 第四步在第三步中蒸鍍好的鋁層上沉積第一聚對二甲苯基層，厚度為0.3ym; 使用專門的沉積聚對二甲苯基的設備PDS2010LABC0TER 2，調(diào)節(jié)真空腔中的壓強達到為 15mTorr，溫度設定為175。C，持續(xù)5分鐘即可； 第五步在鋁層上濺射一層厚度為500埃的鈦，即采用磁控濺射方法制備鈦薄膜， 工作氣壓為0. 6Pa，濺射電流為1A，持續(xù)時間為30秒； 第六步在金屬鈦層上濺射厚度為2000埃鉑層，即采用磁控濺射方法制備鈦薄 膜，工作氣壓為0. 6Pa，濺射電流為1. 5A，持續(xù)時間為2分鐘； 第七步通過lift-off (剝離工藝)工藝對鈦層和鉑層進行圖形化；因為濺射在 襯底上的鈦層和鉑層很難去除，即很難圖形化，因此要想在襯底上濺射出具有圖形化的鈦 層和鉑層，需通過lift-off (剝離工藝)工藝。lift-off工藝如圖3所示，首先在要濺射的 襯底上旋涂一層光刻膠，對其圖形化，該圖形化與所要濺射的金屬的圖形互補，然后在圖形 化好的光刻膠上濺射金屬，最后通過顯影，即可去除光刻膠上的金屬，這樣就可以對濺射的 金屬層進行圖形化。 第八步在厚度為2000埃鉑層上沉積第二聚對二甲苯基層，使用專門的沉積聚對
二甲苯基的設備PDS2010LABC0TER 2，調(diào)節(jié)真空腔中的壓強達到為15mTorr，溫度設定為
175t:，持續(xù)4分鐘即可；并利用氧等離子體干法刻蝕對其進行圖形化； 第九步去除第三步中鋁層，即采用濕法刻蝕鋁，這樣就可以釋放整個結構，最終
制得微驅動器。 如圖2為本實施例的工藝流程圖，其中a為二氧化硅層，作絕緣層用；b為通過此 前的光刻膠的圖形電鍍一層鋁，作為犧牲層用；c為在鋁層上沉積第一層Parylene C薄膜， 用于保護加熱器，Parylene C薄膜具有很好的生物兼容性，以及很好的熱和電絕緣特性， 同時還具有非常大的熱膨脹系數(shù)；d為濺射一層鈦，用于提高鉑層與硅襯底之間的粘著力； e為濺射一層鉑，由于溫度變化致使鉑金屬層發(fā)生巻曲形變，從而利用這個形變驅動微小物 體；f為鉑金屬層上沉積第二層Parylene C薄膜；g為濕法去除b步驟中的鋁層，釋放整個 結構。 在空氣中的驅動與在液體中驅動是完全不一樣的原理。工作在液體中的驅動器的 最小輸出力必須超過液體的阻力，自身的重力和撓曲應力。根據(jù)熱膨脹原理，本發(fā)明的基于 溶液的微驅動器有兩種驅動方式，即有兩種溫度改變方式，一種是基于電流流過電阻，電 阻會發(fā)熱的原理，從而使得驅動器的金屬層溫度會發(fā)生變化，使得薄片發(fā)生巻曲形變；另一 種方式基于熱傳遞原理，即改變驅動器周圍液體的溫度，從而將液體的溫度差傳遞至驅動 器金屬層，因此金屬層的溫度會發(fā)生變化，從而使得薄片發(fā)生巻曲形變。本發(fā)明的熱微驅動 器巻曲力可以達到150nN;當所加入的電壓從0增加到3V，薄片底部與襯底的垂直位移可以 達到70 i！ m ;當液體的溫度在4分鐘內(nèi)從2(TC增加到6(TC時，薄片底部與襯底的垂直位移 可以達到500iim。
權利要求
一種基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步選擇二氧化硅的厚度為5000埃的硅-二氧化硅基片，在二氧化硅上旋涂光刻膠并進行曝光、顯影處理；第二步將真空室抽真空，將蒸發(fā)舟進行升溫加電處理，最后把鋁絲連續(xù)輸送至蒸發(fā)舟上，制成鋁層；第三步在鋁層上真空沉積第一聚對二甲苯基層，然后采用磁控濺射法在鋁層上依次濺射鈦層和鉑層，然后通過剝離工藝對鈦層和鉑層進行金屬圖形化處理；第四步在鉑層上二次真空沉積第二聚對二甲苯基層，然后利用氧等離子體干法刻蝕對第二聚對二甲苯基層進行圖形化，最后采用濕法刻蝕去除鋁層，制得基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的升溫加電是指將蒸發(fā)舟升溫至1300°C 140(TC，蒸發(fā)電流為45A。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的鋁絲的純度為99. 9%。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的鋁層的厚度為1.4iim。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的真空沉積是指在15mTorr壓強、175°C的溫度環(huán)境下沉積聚對二甲苯基5分鐘。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的第一聚對二甲苯基層的厚度為0. 3 ii m。
7. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的磁控濺射法是指在工作氣壓為0. 6Pa、濺射電流為1 1. 5A的環(huán)境下濺射30 120秒的鈦或鉬。
8. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的鈦層的厚度為500埃。
9. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特征 是，所述的鉑層的厚度為2000埃。
10. 根據(jù)權利要求1所述的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，其特 征是，所述的金屬圖形化處理是指在襯底上旋涂光刻膠并對光刻膠進行圖形化，該圖形與 待濺射的金屬圖形互補，然后在光刻膠上濺射金屬，經(jīng)顯影去除未與襯底接觸位置的濺射 金屬實現(xiàn)金屬圖形化。
全文摘要
一種微電子機械系統(tǒng)技術領域的基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器的制備方法，包括在二氧化硅上旋涂光刻膠并進行曝光、顯影處理；將真空室抽真空，將蒸發(fā)舟進行升溫加電處理，最后把鋁絲連續(xù)輸送至蒸發(fā)舟上，制成鋁層；在鋁層上真空沉積第一聚對二甲苯基層，然后采用磁控濺射法在鋁層上依次濺射鈦層和鉑層，然后通過剝離工藝對鈦層和鉑層進行金屬圖形化處理；在鉑層上二次真空沉積第二聚對二甲苯基層，然后利用氧等離子體干法刻蝕對第二聚對二甲苯基層進行圖形化，最后采用濕法刻蝕去除鋁層，制得基于在空氣和液體中工作的熱微驅動器。本發(fā)明制備所得熱微驅動器具有低功耗低工作溫度的特點，可應用于生物領域，不會產(chǎn)生高溫殺死細胞的影響。
文檔編號B81C1/00GK101723309SQ200910310480
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權日2009年11月26日
發(fā)明者孫健, 張冠, 李世鵬, 秦奎, 陳少軍 申請人:上海交通大學