专利名称：基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器及其制备方法
技术领域：
本发明提出了一种基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器及其制备方法，驱动器采用双金属膜复合结构并通过电化学原理工作，属于自动控制技术或者微机电系统技术领域。
微驱动器是微机电系统(MEMS)的核心，八十年术第一个静电型微马达(微驱动器)诞生引起轰动，此后基于各种不同驱动机制的微驱动器相继出现，除了传统的电磁和静电驱动之外，还有压电、形状记忆、热气动、电致伸缩、磁致伸缩以及电化学效应等驱动的微驱动器。尽管如此，微驱动器的现状与实用化的要求尚有一定差距，探索更有效的新驱动机制仍然是其寻求突破的重要方向之一。
目前，驱动力矩和寿命是评价一个微驱动器性能优劣的主要指标，从驱动机理和近年来所取得的进展分析，在毫米到微米尺度上，形状记忆合金薄膜和压电材料薄膜驱动的微驱动器最具实用化潜力，两者都是通过功能薄膜在一定条件下发生体积膨胀与收缩而实现机械驱动。由此可见，利用薄膜材料的伸缩振动特性实现微驱动具有一定的优势。
贮氢金属(合金)能够吸收大量氢气并在一定条件下可逆地放出，并且在吸收或释放氢的同时伴随着显著的体积变化，体积变化量甚至可达20％以上，远高于形状记忆合金所能达到的水平，因此，利用贮氢合金薄膜吸氢膨胀特性设计新型微驱动器，可以显著提升微驱动器的驱动能力。由于可以通过电化学反应控制贮氢合金吸收和释放氢过程，进而控制微驱动器，所以它被称为电化学微驱动器。
吸氢合金曾被用于制造医疗康复用途的常规执行器(Y.Wakisaka，M.Muro，T.Kabutomuri et al.Application of hydrogen absorbing alloys to medical andrehabilitation equipment.IEEE transactions on rehabilitation engineering，1997，Vol.5，No.2P148-157)，但这种驱动器并不是贮氢合金直接驱动的，工作原理与气动装置相似，只是不使用压缩空气，取而代之的是通过改变吸氢合金温度从而控制氢气的吸收或释放，达到改变气体供给量的目的。与传统的液压、气动或电动装置相比，该类执行器具有体积小、重量轻和无噪声操作的特点，可以象人体关节一样柔性运动。
迄今为止，见诸报道的电化学微驱动器有两种基本类型，其一是利用密闭在特定腔室内的电极通过电化学反应产生气体，从而改变封闭微腔内的气体总量，使腔内气压变化，借以驱动作为腔壁之一的弹性膜运动(C.R.Neagu et al，Anelectrochemical microactuatorprincipal and first results，journal ofmicroelectromechanical systems，Vol.5(1996)，P2-9)。这种结构与传统的气动微驱动器相比在驱动能力上没有什么优势，气体的产生和消耗过程都很慢，却又不能实现断电姿态保持，但具有工作电压低，常温操作的特点，这是电化学反应的本质所决定的；第二种是基于导电聚合物在氧化/还原反应过程中体积变化原理的有机薄膜微驱动器(E.W.H.Jager，E.Smela，O.Inganas et al，Polypyrrolemicroactuators，Synthetic metals 102(1999)1309-1310)，该类驱动器虽然克服了需要借助气体产生驱动力的中间过程，有点像双金属膜结构微驱动的工作方式，但是疏松的聚合薄膜机械强度很低，其膨胀所能产生的驱动力有限。
为实现这样的目的，本发明采用贮氢合金薄膜作为驱动介质设计新型的电化学微驱动器。基于贮氢合金薄膜的电化学微驱动器的核心结构是由贮氢合金薄膜与性质稳定的衬底薄膜构成的双金属膜叠层结构，该双金属膜结构电极的一部分固定附着在一定的基座上，其余悬空，构成能够随着电极反应进程产生形态变化的复合驱动电极，该驱动电极与辅助电极构成电极对，浸入适当的电解液中，便可以通过施加直流电压(流)而操控双金属膜电极实现微驱动，构成一种新型的电化学微驱动器。贮氢薄膜微驱动电极采用微机械加工技术制备贮氢薄膜采用溅射或者电镀方法沉积在衬底薄膜表面，衬底薄膜既可以采用溅射、电镀方法沉积，也可以经由刻蚀减薄较厚材料形成。多数情况下可以将两种薄膜按一定顺序沉积在特定基体上，然后采用牺牲层技术使局部微结构释放，形成复合微驱动电极。
本发明的微复合微驱动电极采用微机械加工技术制备，具体工艺流程和材料选择如下1、在设计用来承载微驱动器的玻璃或者陶瓷基片上溅射沉积金属化导电层，作为打底层。基片必须能够在以后的电解液中保持稳定，所以硅不是通常之选，它难以抗拒强碱性电解液的腐蚀，而玻璃和陶瓷则比较合适。金属化层是后续加工的导电起始层，一般采用Cr/Cu或者Ti/Cu双层薄膜，每层厚度均在10-100nm之间，Ti或者Cr粘结层的目的是提高打底层与基体的结合力。
2、在打底层上制作牺牲层薄膜和固定基座。牺牲层材料需要根据驱动介质和衬底材料选择，以便在选择性刻蚀释放复合驱动结构时不会对其造成损伤。一般情况下，正胶是首选的牺牲层材料，它不但容易借助光刻实现选择性加工，而且可以方便地用丙酮溶解清除，该过程不会对常用金属材料构成任何威胁，特别适合与活泼金属(合金)材料构成的微结构匹配。除此之外，铜也是与镍、钯等金属匹配的材料，因为在氨碱性溶液中，铜与镍有良好的刻蚀选择性。使用铜作为牺牲层材料的优点还在于不需要第二次金属化，并且可以同时形成用来固定部分驱动结构的基座。牺牲层和基座一般取同样厚度，从工艺可行性和整体结构考虑，一般取数十微米。
3、在制作了牺牲层材料和基座的衬底上，按照一定顺序先后制备图形化的贮氢材料薄膜和衬底薄膜。几乎所有能够薄膜化的固体吸氢材料均可以作为驱动介质，如常用于可充电池的稀土系贮氢合金以及钯与钯系合金、钛铁系合金等，前提是能够建立适当的薄膜化工艺。事实上，几乎所有的已知吸氢材料均可以以适当的方法实现薄膜化，只是选择适当合理的薄膜化工艺可以达到事半功倍的效果。从工作稳定性加工便利程度考虑，钯及其合金薄膜具有明显优势，若仅从影响驱动能力的吸氢膨胀率考虑，则镧镍系稀土合金更为优越。相信随着贮氢技术研究的深入发展，更多性能更优良的吸氢合金材料肯定会出现，也有可能会有更合适的驱动介质出现。
驱动介质薄膜的吸氢膨胀在平面内是各向同性的，一定设计的图形化可以赋予驱动力一定的方向性，电沉积方法可以借助于掩膜电镀在薄膜沉积的同时完成图形化，而大多数干法沉积薄膜只能掩膜图形化刻蚀实现。
驱动介质的厚度区间为0.05-2微米。
复合驱动结构的衬底材料在微驱动器中起到提供结构恢复力的作用，它提供氢释放之后复合结构恢复初始形状的回复力。对它的要求首先必须在预定的电解质环境中能够保持高度稳定，因为微驱动器工作过程中要循环施加相当强的氧化还原电位，所以衬底材料的化学稳定性必须相当好；其次要能够方便成膜，成膜工艺与贮氢薄膜兼容，并且薄膜拥有良好的机械力学性能。尽管看起来要求很高，但是能够满足使用条件的材料相当多。比如在碱性性环境中工作的镍、贵金属，在酸性环境中工作的各种贵金属材料以及有机聚合物材料如聚酰亚胺、SU-8光刻胶等。在这里使用可以电镀成型的材料和可以光刻成型的聚合物材料有比较优势，它让衬底薄膜的成型加工工艺与贮氢薄膜兼容变得比较容易实现衬底膜的厚度依材料特性和对应驱动膜厚度而定，一般在1-10微米之间。
驱动介质与衬底薄膜沉积成型的顺序对微驱动器的工作方式和能力有一定影响，如果采用干法成膜然后图形化工艺制备贮氢薄膜，则衬底在上方有一定困难，只能借助套科加以解决，如果可以采用掩膜电沉积工艺制备驱动介质层，则上述顺序改变几乎没有任何困难。
为了牺牲层刻蚀的需要，通常要在需要释放的结构上均匀分布一些能够贯通到牺牲层的微孔，孔径5-20微米，间隔以不明显影响结构机械性能为宜，一般取30-200微米4、采用选择性刻蚀剂清除部分基底牺牲层，释放预定区域的驱动结构，形成局部悬空的复合微驱动电极。刻蚀剂需要根据前述材料组合选择。比如对于光刻胶作为牺牲层的体系，丙酮是最佳选择，而对于Cu/Ni/Pd体系，2％(wt)H2O2+10％(wt)NH3混合溶液可以实现刻蚀铜而不影响镍和钯等。
5、局部释放的微驱动电极与Pt片辅助电极配对，置入合适的电解液中，便构成了可以实现微驱动的电化学微驱动器。电解液的选择主要考虑的是与微电极材料体系相匹配，有助于保证各种结构材料在电极反应过程中保持稳定，当然，良好的导电性和析氢反应时没有副反应发生也是要得到一定程度满足的条件。通常选择稳定性高的强酸如硫酸或碱金属强碱溶液体系如氢氧化钾、氢氧化钠等，也可以用高化学稳定性的盐如硫酸钠硫酸钾如果不考虑自放电因素，本发明所设计的电化学微驱动器的姿态具有断电保持的能力，这一点比形状记忆合金微驱动器优越，即使考虑自放电因素的影响，姿态保持的功耗也仅仅是自放电的功率，不会像形状记忆合金微驱动器为了实现姿态保持而持续通电导致整体升温。
由于贮氢合金吸氢膨胀的体积变化率远大于常用的形状记忆合金相应相变的体积变化率，所以该微驱动器可以在低工作电压下实现大位移驱动。
由于驱动结构采用双金属膜复合结构，金属膜的机械强度远远大于疏松的聚合物膜，所以，本发明设计的电化学微驱动器驱动力会明显大于有机聚合物薄膜微驱动器。
正是双金属膜结构和电化学驱动原理决定了本发明驱动器的主要特征，驱动电压低，行程长，驱动力比较大，安静而且控制方便，另外它还具有姿态保持能力。
图2为本发明中微驱动电极的一种实现形式一悬臂梁微驱动器结构示意图。图中，1是平面基体，2是固定基座，3是衬底结构薄膜，4是贮氢合金薄膜，5是Pt片辅助电极，6是电介质溶液。
具体制备工艺为在玻璃衬底上溅射沉积10纳米Cr，20纳米Cu，电沉积35微米铜作为牺牲层和固定基座材料，然后在其上旋涂10微米SU-8光刻胶，光刻显影以形成整个悬臂梁电极结构的电镀图案，包括方形基座和长方形悬臂梁图案，具体尺寸是基座1mm×1mm，悬臂梁长6mm，宽0.5mm，梁的图案中均匀分布直径10微米的圆形光刻胶柱，间距150微米。接着采用氨性镀钯液在掩膜空挡处电镀0.3微米的钯膜，然后电镀5微米的镍，取出，专用溶剂去胶。采用10％(wt)氨水+2％(wt)双氧水的混合溶液，浸泡并搅拌刻蚀牺牲层，待悬臂梁释放完成之后，取出清洗，与铂片电极一起置入30％的KOH溶液中，以复合双金属膜微驱动电极为负极，施加10mA电流，或者1-2V的直流电压，可以发现通电前平直的悬臂梁自由端逐渐升高，直到弯曲形成圆筒状。反向接电源，原来翘起的悬臂梁将很快重新归于平直。
权利要求
1.一种基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器，其特征在于由贮氢合金薄膜(4)与性质稳定的衬底薄膜(3)构成双金属膜叠层结构，基座(2)牢固附着在基体(1)表面，双金属膜结构电极的一部分固定附着在基座(2)上，其余部分释放悬空，形成微悬臂梁、悬桥或空腔结构形式，构成能够随着电极反应进程产生形态变化的复合驱动电极，驱动电极与辅助电极(5)构成电极对，浸入电解液(6)中，通过施加直流电压(流)而操控双金属膜电极实现微驱动。
2.一种如权利要求1所说的基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器的制备方法，其特征在于包括在基片(1)表面沉积打底层，在打底层上沉积或涂覆以制造牺牲层和固定基座(2)，然后在此基础上通过光刻、电镀或者沉积刻蚀工艺制备图形化的吸氢合金薄膜(4)和衬底薄膜(3)，形成双金属膜微驱动结构，最后用选择性刻蚀剂清除部分基底牺牲层，释放预定区域的驱动结构，形成局部悬空的复合微驱动电极。
3.如权利要求2所说的基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器的制备方法，其特征在于吸氢合金薄膜(4)是任何能够薄膜化的固体吸氢材料，包括常用的稀土系合金、钯及钯系合金。
全文摘要
一种基于吸氢合金薄膜的电化学微驱动器及其制备方法，由贮氢合金薄膜与性质稳定的衬底薄膜构成双金属膜叠层结构，双金属膜结构电极的一部分固定附着在基座上，其余悬空，构成能够随着电极反应进程产生形态变化的复合驱动电极，驱动电极与辅助电极构成电极对，浸入电解液中，通过施加直流电压(流)而操控双金属膜电极实现微驱动。贮氢合金薄膜采用溅射或者电镀方法沉积在衬底薄膜表面，衬底薄膜采用溅射、电镀方法沉积，将两种薄膜按一定顺序沉积在特定基体上，然后采用牺牲层技术使局部微结构释放，形成复合微驱动电极。本发明驱动器驱动电压低，行程长，驱动力比较大，安静而且控制方便，还具有姿态保持能力。
文档编号B81B7/00GK1424245SQ02157778
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者丁桂甫, 姚锦元, 赵小林 申请人:上海交通大学