一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機械結(jié)構(gòu)，具體涉及一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(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械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。微機電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號處理和控制電路、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)，是一項關(guān)系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和國防安全的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]現(xiàn)有的微機械結(jié)構(gòu)加工方式對于加工三維微機械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且現(xiàn)有的加工方式加工出來的微機械結(jié)構(gòu)都是固定的、不可變形的，無法實現(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械結(jié)構(gòu)在工程實際中有重要的需求，因此本發(fā)明提供的形狀可控的三維微機械結(jié)構(gòu)對于微機械結(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形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，利用對溫度不敏感的聚合物基體和對溫度敏感的水凝膠鉸鏈，通過降低環(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)中幾何參數(shù)可由溫度改變量控制；再將降低后的環(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)；該機械結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，且尺寸可以小到微米級，對于微機械系統(tǒng)中制造類似三維結(jié)構(gòu)提供了簡單的方法。
[0005]為了達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，變形前的結(jié)構(gòu)為由尺寸為微米級的平面基體I和鑲嵌在平面基體I的凹槽中并與平面基體I粘接在一起的鉸鏈2組成的平面微機械結(jié)構(gòu)，且變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度為T1, T1是根據(jù)平面微機械結(jié)構(gòu)在實際工作中變形前所處的環(huán)境溫度設(shè)置的，且變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)需在T1溫度下制造，所述平面基體I采用對溫度變化不敏感即材料的體積不隨溫度的變化而變化的聚合物材料，所述鉸鏈2采用對溫度變化敏感即材料的體積隨著溫度降低而增大的水凝膠材料；降低變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度到T2，且T2CT1,則平面微機械結(jié)構(gòu)變形為三維微機械結(jié)構(gòu)；對于變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境的溫度由Τ2恢復(fù)到Tl后，變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到初始的平面微機械結(jié)構(gòu)。
[0007]所述聚合物材料為聚已酸內(nèi)酯，所述水凝膠材料為N-異丙基丙烯酰胺。
[0008]根據(jù)實驗的方便程度，所述1\取300Κ。
[0009]變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)中基體的兩個平板之間的夾角Θ由溫度的改變量ΔΤ= ，且當(dāng) ΔΤ = 27Κ 時，Θ = 90°。
[0010]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0011](I)通過控制環(huán)境溫度來得到三維自組裝的微機械結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)，該方法更簡單。
[0012](2)自組裝的微機械結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)可由環(huán)境溫度進行人為的控制，可滿足實際工程中對多種構(gòu)型的需求。
[0013](3)三維自組裝的微機械結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用。
【附圖說明】
[0014]圖1是變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0015]圖2是變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)三維視圖。
[0016]圖3是變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0017]圖4是變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)三維視圖。
【具體實施方式】
[0018]下面首先對本發(fā)明的原理和工作過程做如下說明:
[0019]對于變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)，其所處環(huán)境的初始溫度為1\。將環(huán)境溫度降為T2后，對溫度敏感的鉸鏈在溫度降低時體積會膨脹。由于鉸鏈與基體在基體的凹槽處是粘結(jié)在一起的，所以對溫度不敏感的基體在鉸鏈的作用下會發(fā)生彈性變形，而鉸鏈在基體的約束下也會有相應(yīng)的彈性變形。基體和鉸鏈的總應(yīng)變可以分別表示為:
[0020]e 基體= Θ彈性
[0021](I
[0022]e 鉸鏈
=e溫度_e彈性
[0023]基體和鉸鏈在粘結(jié)處的不同變形導(dǎo)致粘結(jié)處基體發(fā)生彎曲形成三維結(jié)構(gòu)，且彎曲后的兩個平板之間的夾角Θ可以由溫度的改變量(AT = T1-T2)控制。
[0024]如果將環(huán)境溫度恢復(fù)為初始溫度T1,則三維微機械結(jié)構(gòu)恢復(fù)為初始的平面微機械結(jié)構(gòu)，所以該結(jié)構(gòu)是可以重復(fù)利用的。
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0026]本實施例一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，變形前初始結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和三維視圖分別如圖1和圖2所示。變形前的初始平面微機械結(jié)構(gòu)由對溫度不敏感的帶凹槽的聚合物平面基體I和對溫度敏感的水凝膠鉸鏈2制成，平面基體I和鉸鏈2在平面基體I的凹槽處粘結(jié)在一起。平面基體I使用聚已酸內(nèi)酯制作，鉸鏈2使用N-異丙基丙烯酰胺制作。變形前的初始結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度T1= 300K下制作。
[0027]將環(huán)境溫度T1降為T 2= 273K，基體和水凝膠在粘接處的不同變形將導(dǎo)致粘結(jié)處的基體發(fā)生彎曲?；w彎曲的程度是受環(huán)境溫度的改變量AT = T2-T1控制的，且在本實施例中AT = 27K時有彎曲后基體兩平板間的夾角Θ =90°，如圖3和圖4所示。如果ΔΤ介于OK與27K之間，將可以得至IJ 180。到90。之間的任意夾角。
[0028]將環(huán)境溫度再回復(fù)到!\后，變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)將回復(fù)到初始的平面微機械結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項】
1.一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，其特征在于:變形前的結(jié)構(gòu)為由尺寸為微米級的平面基體(I)和鑲嵌在平面基體(I)的凹槽中并與平面基體(I)粘接在一起的鉸鏈(2)組成的平面微機械結(jié)構(gòu)，且變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度為!^!^是根據(jù)平面微機械結(jié)構(gòu)在實際工作中變形前所處的環(huán)境溫度設(shè)置的，且變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)需在T1溫度下制造，所述平面基體(I)采用對溫度變化不敏感即材料的體積不隨溫度的變化而變化的聚合物材料，所述鉸鏈(2)采用對溫度變化敏感即材料的體積隨著溫度降低而增大的水凝膠材料；降低變形前的平面微機械結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度到T2，且T2CT1，則平面微機械結(jié)構(gòu)變形為三維微機械結(jié)構(gòu)；對于變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境的溫度由T2恢復(fù)到Tl后，變形后的三維微機械結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到初始的平面微機械結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述聚合物材料為聚已酸內(nèi)酯，所述水凝膠材料為N-異丙基丙烯酰胺。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，其特征在于:根據(jù)實驗的方便程度，所述!\取300K。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，其特征在于:變形后的三維結(jié)構(gòu)中基體的兩個平板之間的夾角Θ由溫度的改變量AT = T1-T2控制，且當(dāng)ΔΤ=27K 時，Θ = 90°。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種形狀可控的三維自組裝微機械結(jié)構(gòu)，首先變形前的平面結(jié)構(gòu)由對溫度不敏感的聚合物基體和對溫度敏感的水凝膠鉸鏈組成，降低平面結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度，平面微機械結(jié)構(gòu)變形為三維微機械結(jié)構(gòu)且三維微機械結(jié)構(gòu)中幾何參數(shù)可由溫度改變量控制；再將降低后的環(huán)境溫度恢復(fù)到初始溫度，三維微機械結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始的平面微機械結(jié)構(gòu)；該機械結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用，且尺寸可以小到微米級，對于微機械系統(tǒng)中制造類似三維結(jié)構(gòu)提供了簡單的方法。
【IPC分類】B81B3/00
【公開號】CN105036055
【申請?zhí)枴緾N201510320517
【發(fā)明人】陳曦, 楊鵬飛, 黨斐, 閆淵
【申請人】陳曦
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月9日