制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái)。彈簧結(jié)構(gòu)為螺旋型,整體尺寸在百微米量級(jí)到毫米級(jí)別;材料為Ni-Nb基無序合金材料,楊氏模量大于180GPa,彈性極限大于2%。制備方法,1)制備一個(gè)PMMA光刻膠圓柱;2)將光刻膠圓柱夾持到曝光臺(tái)上進(jìn)行X-ray曝光;3)進(jìn)行顯影,得到顯影后的制備彈簧的PMMA模具;4)用鎳和鈮金屬在真空下氬氣保護(hù)熔煉而成的靶材;5)通過磁控濺射制備無序合金薄膜層;6)釋放得到無序合金微彈簧。本實(shí)用新型將X-ray光刻工藝與磁控濺射技術(shù)結(jié)合,突破了傳統(tǒng)機(jī)械工藝制備亞毫米螺旋微型彈簧的尺寸瓶頸,填補(bǔ)了MEMS器件中無序合金螺旋微彈簧的空缺,拓展了3D金屬微器件的加工思路,微彈簧表面平整光滑,形狀理想。
【專利說明】制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微納米【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]彈簧作為一種基礎(chǔ)機(jī)械零件,幾乎在人們所能接觸到的領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和不可或缺的地位。然而隨著近幾十年來微納米技術(shù)迅猛發(fā)展,利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)制備的微傳感器、微機(jī)械光學(xué)器件、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件等微器件在各個(gè)領(lǐng)域取得令人矚目的成就,器件微型化的趨勢(shì)日漸顯著,各領(lǐng)域?qū)τ谖椈傻男枨笕找嫫惹校绾螌鹘y(tǒng)的機(jī)械彈簧微型化成為一項(xiàng)重要的課題。
[0003]傳統(tǒng)意義上的彈簧數(shù)百年來得到了充分的研究,擁有相對(duì)完善的制備工藝,制備工藝一般分為冷加工和熱加工,通常有冷卷成形、熱卷成形、淬火、回火處理、去應(yīng)力過火等步驟,然而這些成熟的機(jī)械制備方法只適用于通常尺寸的彈簧且對(duì)材料的塑形有一定要求,無法制備亞毫米級(jí)別的高倔強(qiáng)系數(shù)微彈簧。目前微彈簧在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用模式還沒有系統(tǒng)的總結(jié)和歸納,已報(bào)道的微彈簧一般由MEMS工藝制備,例如LIGA或者UV-LIGA技術(shù)、硅基微機(jī)械加工技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等,上述方法通常只能制備平面結(jié)構(gòu)彈簧,且材料的選擇有限,無法制備出具有優(yōu)異機(jī)械性能的螺旋微彈簧。
[0004]隨著彈簧尺寸的縮小,其抗壓、儲(chǔ)能能力亦會(huì)隨之下降,選擇一種強(qiáng)度比金屬高且不易碎的材料制備彈簧可有效改善彈簧的力學(xué)性能。N1-Nb基無序合金強(qiáng)度高,硬度高,耐腐蝕,耐摩擦,它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn),又克服了它們各自的弊病。無序合金的強(qiáng)度高于鋼,硬度超過高硬工具鋼,具有比較好的韌性和剛性,是制備微彈簧的理想材料,但利用其制備微彈簧需要克服傳統(tǒng)工藝無法加工微尺寸彈簧的技術(shù)難題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空缺,提供制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái)。
[0006]用于制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái),包括光刻膠圓柱、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、掩膜板、步進(jìn)電機(jī)、掩膜板夾具座、夾具,光刻膠圓柱夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上,可勻速轉(zhuǎn)動(dòng),掩膜板利用夾具固定在掩膜板夾具座上,步進(jìn)電機(jī)剛性聯(lián)接掩膜板夾具座,可驅(qū)動(dòng)掩膜板直線運(yùn)動(dòng),掩膜板中心透光小孔與光刻膠圓柱中心處等高。
[0007]本實(shí)用新型的有益效果:將同步輻射光源X-ray光刻工藝與磁控濺射技術(shù)結(jié)合,突破了傳統(tǒng)機(jī)械工藝制備螺旋微型彈簧的尺寸瓶頸,填補(bǔ)了 MEMS器件中無序合金螺旋微彈簧的空缺,拓展了通過改進(jìn)現(xiàn)有成熟傳統(tǒng)微加工技術(shù)來制備復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的新思路,制備出的微彈簧表面平整光滑,幾何形狀理想。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是一種具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法流程圖;
[0009]圖2a是掩膜板及驅(qū)動(dòng)裝置示意圖;[0010]圖2b是光刻膠圓柱及旋轉(zhuǎn)裝置示意圖;
[0011]圖2c是一種用于無序合金微彈簧制備的曝光過程示意圖;
[0012]圖3是無序合金微彈簧的制備過程示意圖;
[0013]圖中:光刻膠圓柱1、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2、掩膜板3、步進(jìn)電機(jī)4、掩膜板夾具座
5、夾具6。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本實(shí)用新型結(jié)合同步輻射光源X-ray光刻工藝和磁控濺射技術(shù),提出了一種制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái),在光學(xué)工程、精密儀器、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等諸多領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0015]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。
[0016]具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧,結(jié)構(gòu)為螺旋型,整體尺寸在百微米量級(jí)到毫米級(jí)別,彈簧絲直徑可小到10 Um左右;材料為N1-Nb基無序合金材料,楊氏模量大于180GPa,彈性極限大于2% ;微彈簧具有優(yōu)異的機(jī)械性能,強(qiáng)度高,硬度高,耐腐蝕能力是普通304不銹鋼的一萬倍,倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限分別達(dá)到一般晶態(tài)金屬材料微彈簧的2倍和4倍以上。
[0017]上述具有高倔強(qiáng)系數(shù)和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法流程如圖1所示,其主要步驟包括:(I)制備一個(gè)PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠圓柱;(2)對(duì)光刻膠圓柱進(jìn)行同步輻射X-ray曝光;(3)顯影得到微彈簧模具;(4)制備N1-Nb基無序合金靶材,用純度超過99.9%的鎳和鈮金屬按照一定比例在高于3*10_3 Pa的真空下氬氣保護(hù)熔煉得到;
(5)磁控濺射制備無序合金薄膜層;(6)溶解光刻膠釋放得到微彈簧。
[0018]如圖2a、2b、2c所示,用于制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái),包括光刻膠圓柱1、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2、掩膜板3、步進(jìn)電機(jī)4、掩膜板夾具座5、夾具6,光刻膠圓柱I夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)2上,可勻速轉(zhuǎn)動(dòng),掩膜板3利用夾具6固定在掩膜板夾具座5上,步進(jìn)電機(jī)4剛性聯(lián)接掩膜板夾具座5,可驅(qū)動(dòng)掩膜板3直線運(yùn)動(dòng),掩膜板3中心透光小孔與光刻膠圓柱I中心處等高。
[0019]X-ray曝光方法:將光刻膠圓柱夾持到帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)上,X-ray透過掩膜板中心小孔射到光刻膠圓柱上靠近端點(diǎn)處一點(diǎn),旋轉(zhuǎn)電機(jī)以ill的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)
以I;的速度帶動(dòng)掩膜板勻速移動(dòng),角速度#和移動(dòng)速度V滿足以下關(guān)系:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備無序合金微彈簧的曝光臺(tái),其特征在于,包括光刻膠圓柱(I)、帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)、掩膜板(3)、步進(jìn)電機(jī)(4)、掩膜板夾具座(5)、夾具(6),光刻膠圓柱(I)夾持在帶樣品夾的旋轉(zhuǎn)電機(jī)(2)上,可勻速轉(zhuǎn)動(dòng),掩膜板(3)利用夾具(6)固定在掩膜板夾具座(5)上,步進(jìn)電機(jī)(4)剛性聯(lián)接掩膜板夾具座(5),可驅(qū)動(dòng)掩膜板(3)直線運(yùn)動(dòng),掩膜板(3)中心透光小孔與光刻膠圓柱(I)中心處等高。
【文檔編號(hào)】B81C99/00GK203639142SQ201320790904
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】史斌, 胡曉琳, 張冬仙, 伊福廷, 王波, 蔣建中, 章海軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)