一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造方法，具體涉及一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電系統(tǒng)（簡稱MEMS)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的，融合了光刻、腐蝕、電鑄、注塑、薄膜沉積、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù) 制作的高科技電子機(jī)械器件。微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微 能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。 MEMS是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國家的科技發(fā)展、經(jīng) 濟(jì)繁榮和國防安全的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有的微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工方式對(duì)于加工三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且現(xiàn)有的加工方 式加工出來的微機(jī)械結(jié)構(gòu)都是固定的、不可變形的，無法實(shí)現(xiàn)多種工況下結(jié)構(gòu)形狀的轉(zhuǎn)變。 而在多種工況下可變形的三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中有重要的需求，因此本發(fā)明提供的 三維機(jī)械結(jié)構(gòu)制造方法對(duì)于微機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的 三維自組裝制造方法，利用對(duì)溫度敏感的熱膨脹系數(shù)不同的聚合物圓環(huán)、圓板以及對(duì)溫度 不敏感的圓環(huán)，通過升高環(huán)境溫度使平面結(jié)構(gòu)變形為三維結(jié)構(gòu)且三維結(jié)構(gòu)形狀受溫度改變 量影響，再將升高后的環(huán)境溫度恢復(fù)到初始溫度，三維結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始的平面結(jié)構(gòu)；該機(jī)械 結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，且尺寸可以小到微米級(jí)，對(duì)于微機(jī)械系統(tǒng)中制造盤狀微機(jī)械結(jié)構(gòu)提供 了簡單的方法。
[0005] 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，變形前的機(jī)械結(jié)構(gòu)由對(duì)溫度敏感的聚 合物薄圓板1、依次套接在對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板1外周圈的多個(gè)尺寸預(yù)設(shè)的熱膨脹 系數(shù)不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2以及套接在最外層的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2外周圈的對(duì)溫度不敏 感的聚合物圓環(huán)3粘接在一起形成圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)，其半徑為R，厚度為t，且變形前的 圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度為?\，?\是根據(jù)圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中變形前 所處的環(huán)境溫度設(shè)置的，且變形前的平面機(jī)械結(jié)構(gòu)需在?\溫度下制造；升高變形前的圓形 平面機(jī)械結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度到Τ2，且，隨著溫度升高，熱膨脹系數(shù)不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán) 2和對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板1將產(chǎn)生不均勻的膨脹，在機(jī)械結(jié)構(gòu)最外側(cè)的對(duì)溫度不敏 感的聚合物圓環(huán)3隨著溫度的變化不發(fā)生膨脹，不均勻膨脹的內(nèi)部區(qū)域受到外部區(qū)域的壓 縮，當(dāng)這種壓縮達(dá)到臨界值時(shí)圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形為三維機(jī)械結(jié)構(gòu)；對(duì)于變形后的 三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境溫度由T2恢復(fù)到T1后，變形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到初始的圓形 平面機(jī)械結(jié)構(gòu)。
[0007] 變形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的形態(tài)只與溫度差ΔT=TfL有關(guān)，而與TJPT2的數(shù)值 無關(guān)，且當(dāng)ΔΤ=L-Ti= 5Κ時(shí)，變形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的中心部分仍然保持平面，邊緣部 分恰好垂直于中心的平面部分，膨脹程度不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2構(gòu)成了中心平面和直立 邊緣的過度部分。
[0008] 該方法適用的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸能夠等比例的變化，小到微米級(jí)。
[0009] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] (1)通過控制環(huán)境溫度來得到三維自組裝的盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)加工技術(shù)， 該方法更簡單。
[0011] (2)三維自組裝的盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用。
[0012] (3)該結(jié)構(gòu)的幾何尺寸可以等比例的增大或縮小。
【附圖說明】
[0013] 圖1為變形前的圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖2是ΔT= 5Κ時(shí)變形后三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維視圖。
[0015] 圖3是ΔT= 5K時(shí)變形后三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的主視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面首先對(duì)本發(fā)明的原理和工作過程做如下說明：
[0017] 對(duì)于變形前的平面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其所處環(huán)境的初始溫度為?\。將環(huán)境溫度升為T2 后，對(duì)溫度敏感的聚合物圓環(huán)和聚合物圓板在溫度升高時(shí)體積會(huì)膨脹，而對(duì)溫度不敏感的 聚合物在溫度升高時(shí)體積不變。由于聚合物圓環(huán)和圓板是相互粘結(jié)在一起的，所以對(duì)溫度 不敏感的位于邊緣的聚合物會(huì)對(duì)位于其內(nèi)部的膨脹的聚合物產(chǎn)生壓縮，隨著溫度的升高， 壓縮的力逐漸增大，當(dāng)壓縮的力達(dá)到臨界值時(shí)平面微機(jī)械結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形為三維微機(jī)械結(jié) 構(gòu)，且變形后的三維結(jié)構(gòu)的形態(tài)受溫度升高值的影響。
[0018] 如果將環(huán)境溫度恢復(fù)為初始溫度!\，則三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)恢復(fù)為初始的平面微機(jī)械 結(jié)構(gòu)，所以該結(jié)構(gòu)是可以重復(fù)使用的。
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020] 本實(shí)施例一種盤狀微機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，變形前的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的主 視圖如圖1所示。變形前的微機(jī)械結(jié)構(gòu)由對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板1、依次套接在對(duì)溫 度敏感的聚合物薄圓板1外周圈的五個(gè)尺寸預(yù)設(shè)的熱膨脹系數(shù)不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2以 及套接在最外層的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2外周圈的對(duì)溫度不敏感的聚合物圓環(huán)3粘接在一起形 成圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)，其半徑為R，厚度為t，且R/t= 200,各個(gè)圓環(huán)和圓板的無量綱半徑 (使用R作為無量綱參數(shù)）如表1所示，各個(gè)圓環(huán)和圓板的熱膨脹系數(shù)如表2所示，材料的 彈性模量E(Pa)滿足4X107〈E〈4X109,泊松比無限制，變形前的初始結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度?\ = 300Κ下制作。
[0021] 表1各個(gè)圓環(huán)和圓板的無量綱半徑
[0022]

[0023] 表2各個(gè)圓環(huán)和圓板的熱膨脹系數(shù)（m3/K)
[0024]
[0025] 將環(huán)境溫度?\升高到T2= 305K，發(fā)生膨脹的均質(zhì)聚合物圓環(huán)2和聚合物薄圓板1 在不發(fā)生膨脹的聚合物圓環(huán)3的壓縮下失穩(wěn)變形。變形后的形態(tài)受到環(huán)境溫度改變量ΔΤ =T2-I\的影響，且在本實(shí)施例中ΔΤ= 5Κ時(shí)變形后的三維結(jié)構(gòu)的中心部分即聚合物薄圓 板1仍然保持平面，邊緣部分即聚合物圓環(huán)7恰好垂直于中心的平面部分，膨脹程度不同的 聚合物圓環(huán)3構(gòu)成了中心平面和直立邊緣的過度部分，如圖2、圖3所示。
[0026] 將環(huán)境溫度再回復(fù)到1\后，變形后的三維微機(jī)械結(jié)構(gòu)將回復(fù)到初始的圓形平面微 機(jī)械結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，其特征在于：變形前的機(jī)械結(jié)構(gòu)由對(duì)溫 度敏感的聚合物薄圓板（1)、依次套接在對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板（1)外周圈的多個(gè)尺 寸預(yù)設(shè)的熱膨脹系數(shù)不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)（2)以及套接在最外層的均質(zhì)聚合物圓環(huán)（2) 外周圈的對(duì)溫度不敏感的聚合物圓環(huán)（3)粘接在一起形成圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)，其半徑為R， 厚度為t，且變形前的圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度為1\，1\是根據(jù)圓形平面機(jī)械結(jié) 構(gòu)在實(shí)際工作中變形前所處的環(huán)境溫度設(shè)置的，且變形前的平面機(jī)械結(jié)構(gòu)需在!\溫度下制 造；升高變形前的圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度到T2，且，隨著溫度升高，熱膨脹系數(shù) 不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)（2)和對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板（1)將產(chǎn)生不均勻的膨脹，在機(jī) 械結(jié)構(gòu)最外側(cè)的對(duì)溫度不敏感的聚合物圓環(huán)（3)隨著溫度的變化不發(fā)生膨脹，不均勻膨脹 的內(nèi)部區(qū)域受到外部區(qū)域的壓縮，當(dāng)這種壓縮達(dá)到臨界值時(shí)圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形為 三維機(jī)械結(jié)構(gòu)；對(duì)于變形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境溫度由T2恢復(fù)到T1后，變形后的三維機(jī) 械結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到初始的圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，其特征在于：變 形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的形態(tài)只與溫度差ΔΤ=L-Ti有關(guān)，而與TJPΤ2的數(shù)值無關(guān)，且當(dāng) ΔΤ = VTi= 5Κ時(shí)，變形后的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的中心部分仍然保持平面，邊緣部分恰好垂直 于中心的平面部分，膨脹程度不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)（2)構(gòu)成了中心平面和直立邊緣的過 度部分。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，其特征在于：該 方法適用的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸能夠等比例的變化，小到微米級(jí)。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種盤狀機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維自組裝制造方法，首先變形前的平面機(jī)械結(jié)構(gòu)由對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板、依次套接在對(duì)溫度敏感的聚合物薄圓板外周圈的多個(gè)尺寸預(yù)設(shè)的熱膨脹系數(shù)不同的均質(zhì)聚合物圓環(huán)，以及套接在最外層的均質(zhì)聚合物圓環(huán)外周圈的對(duì)溫度不敏感的聚合物圓環(huán)粘接在一起形成圓形平面機(jī)械結(jié)構(gòu)，升高平面機(jī)械結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，平面機(jī)械結(jié)構(gòu)變形為三維機(jī)械結(jié)構(gòu)且在特定的溫度改變量下可得到盤狀三維機(jī)械結(jié)構(gòu)；再將升高后的環(huán)境溫度恢復(fù)到初始溫度，三維機(jī)械結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始的平面機(jī)械結(jié)構(gòu)；該機(jī)械結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，且尺寸可以小到微米級(jí)，對(duì)于微機(jī)械系統(tǒng)中制造盤狀三維機(jī)械結(jié)構(gòu)提供了簡單的方法。
【IPC分類】B81B3/00, B81C1/00
【公開號(hào)】CN105399048
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510818826
【發(fā)明人】楊鵬飛, 劉益?zhèn)? 陳曦, 閆淵
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月23日