专利名称：用于直线推进的多弧结构的改性su8电热微执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种MEMS微制造技术领域的器件，具体的说是一种用于直线推进的多弧结构的改性SU8电热微执行器。
背景技术：
微执行器是微机电系统(MEMS)的关键器件之一。目前基于各种原理的微执行器在国内外得到了广泛的研究，应用较多的微致动方式有静电致动、压电致动、电磁致动、热致动和形状记忆合金致动等，采用电或磁的致动方式存在制作工艺复杂、驱动电压过高、驱动力非线性、驱动力过小等等不足。相对而言，热驱动方式因为几何尺寸小，工艺简单而具有较强的吸引力，而且它还有驱动电压低、驱动力大、结构简单易于集成等特点。利用热膨胀原理致动是热驱动方式的一种，通过对执行器材料通电加热，使材料产生近似与温度成线性的形变，可制成电热致动的微型执行器。电热致动方式能克服静电致动和电磁致动的弱点，具有作用力大的特点，其作用力能达到数百微牛以上。
经文献检索发现，国内专利公开号CN1768003A公开了一种非对称MEMS热致动器装置，
公开日期为2006.5.3，名称为“热致动器”，该热致动器由一个基板部、一个致动器和一个位于致动器单元侧面的突出散热部组成，其中致动器单元由两条平行不等宽臂构成，当电流通过时由于加热程度不同而产生弯曲。该热致动器由于采用两条平行不等宽臂Si梁电流加热产生的变形差完成位移动作。在大位移需要的场合，由于硅的热变形系数小，往往需要通过加大电流，从而加热Si构件，进而获得大的热变形的方法来实现，存在驱动电压过高、工作时尤其大位移时温度高，对动作环境影响大，进而限制了其应用等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于直线推进的多弧结构的改性SU8电热微执行器。使其基于电热致动原理，工作电流小，工作温度低，对环境影响小，用来对微流体系统中的活动部件如微型阀门的开关进行控制，可为微流体系统中流体的驱动、控制和封闭等自动化操作提供新的途径，并拓展了其应用场合。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由SU8胶悬臂梁、与外部电路连接的左导电层、右导电层构成，SU8悬臂梁形状为多弧状结构，用于直线推进，为玻璃基底上制作的悬臂梁结构，悬臂梁梁体为掺入纳米碳管的SU8胶，左导电层和右导电层SU8胶悬臂梁的上方，通过下面的左导电层和右导电层与玻璃基底相连。
SU8胶悬臂梁由左基座、左底部连接块、左弧形梁体、左顶部连接块、推进块、右顶部连接块、右弧形梁体、右底部连接块、右基座构成，其连接关系左基座和左弧形梁体通过左底部连接块连接，左弧形梁体和推进块通过左顶部连接块连接，推进块和右弧形梁体通过右顶部连接块连接，右弧形梁体和右基座通过右底部连接块连接；左导电层和右导电层分别位于左基座和右基座的上方。
SU8悬臂梁用于直线推进，可以将悬臂梁结构从玻璃基底上卸下，安装在微机电结构上使用。
本发明工作时，以左导电层和右导电层为电极向SU8胶悬臂梁中通入电流，由于电热作用使梁体发生膨胀形变，改变电流大小可改变梁体伸缩的程度，从而使得电热驱动微执行器可控。
本发明的电热驱动微型执行器工作电压低，使得工作环境的温度较低。通过控制通过悬臂梁的工作电流，能够连续控制通过微阀门的液体流量，从而为微流体系统中流体的控制、封闭提供自动化的操作。
本发明具有明显的有益的效果①通过在SU8光刻胶中加入碳纳米管，可以得到机械强度和导电性大大增加的悬臂梁结构，同时有利于减少工作的电流和降低工作温度；②悬臂梁采用多弧结构有利于为执行器提供比较大的位移输出，采用电热致动方式输出作用力大，动作可靠；③工作电流较小，温度较低，对环境影响小，适应性强。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明悬臂梁结构示意图。
图3为本发明两块导电层结构示意图。
图4为本发明用于控制通过微阀门液体的流量实施例示意图。
图5为本发明导电SU8电热微执行器加工工艺步骤图。
具体实施例方式
如图1、2、3所示，本发明实施例由如下部件构成SU8胶悬臂梁1、与外部电路连接的左导电层2、右导电层3；SU8胶悬臂梁1包括左基座4、左底部连接块5、左弧形梁体6、左顶部连接块7、推进块8、右顶部连接块9、右弧形梁体10、右底部连接块11、右基座12，其连接关系是左基座4和左弧形梁体6通过左底部连接块5连接，左弧形梁体6和推进块8通过左顶部连接块7连接，推进块8和右弧形梁体10通过右顶部连接块9连接，右弧形梁体10和右基座12通过右底部连接块11连接；左导电层2和右导电层3分别位于左基座4和右基座12的上方。SU8悬臂梁1形状为多弧状结构，用于直线推进。采用MEMS加工技术，过程如下(如图5示)①首先在玻璃基底上溅射一层Cr/Cu(厚度为Cr5～10nm，Cu200～250nm，本实施例为Cr8nm，Cu220nm)金属层作为电镀种子层；②在种子层上旋涂一层PMMA正胶(厚度为10～15μm，本实施例为10μm)，光刻显影；③利用上一步开出的窗口，在种子层上电镀一层Cu作为外部连线，平整化后将正胶和种子层去除；④旋涂一层较厚的聚酰亚胺(厚度为50～80μm，本实施例为60μm)，作为执行器的牺牲层。对准后刻蚀出与连线对应的图形；⑤将配方好后的SU8胶(厚度为200～250μm，本实施例为200μm)旋涂在牺牲层上，光刻、显影；⑥最后用NaoH溶液释放聚酰亚胺牺牲层即可。
其中种子层溅射厚度分别为Cr5～10nm，Cu200～250nm，PMMA正胶厚度为10～15μm，聚酰亚胺层厚度为50～80μm，SU8混合层厚度为200～250μm，碳纳米管的体积分数约为31％。
改性SU8胶的制作方法如下将适当体积分数的碳纳米管填料加入SU8胶体中，以二甲苯作溶剂，机械搅拌均匀后，放入超声波中进行大约15分钟的处理即可。
本实施例工作时，以左导电层和右导电层为电极向SU8胶悬臂梁中通入电流，由于电热作用使梁体发生膨胀形变，改变电流大小可改变梁体伸缩的程度，从而使得电热驱动微执行器可控。
如图4所示为一个用于微流体系统的流量可控阀门，本实施例的SU8胶电热微执行器具有电热致动效果，可安装在阀门的活动部件上用来控制阀门的开关。在本实施例中，具有较大弹性系数的PDMS薄膜为控制流体流量的可活动部件，与下面的基底之间存在一定的间隙。将电热微致动器的推进块与PDMS薄膜连接，微执行器工作时推动PDMS薄膜使下面微流体通道变小直到实现完全的阻流，不工作时微执行器收缩，PDMS薄膜恢复原状，微阀门开启。
权利要求
1.一种用于直线推进的多弧结构的改性SU8电热微执行器，其特征在于，由SU8胶悬臂梁、与外部电路连接的左导电层、右导电层构成，SU8悬臂梁形状为多弧状结构，用于直线推进，为玻璃基底上制作的悬臂梁结构，悬臂梁梁体为掺入纳米碳管的SU8胶，左导电层和右导电层SU8胶悬臂梁的上方，通过下面的左导电层和右导电层与玻璃基底相连。
2.根据权利要求1所述的新型SU8电热微执行器，其特征是，所述的SU8胶悬臂梁由左基座、左底部连接块、左弧形梁体、左顶部连接块、推进块、右顶部连接块、右弧形梁体、右底部连接块、右基座构成，其连接关系左基座和左弧形梁体通过左底部连接块连接，左弧形梁体和推进块通过左顶部连接块连接，推进块和右弧形梁体通过右顶部连接块连接，右弧形梁体和右基座通过右底部连接块连接。
3.根据权利要求2所述的新型SU8胶电热致动微执行器，其特征是，所述的左导电层和右导电层分别位于左基座和右基座的上方。
4.根据权利要求1或者2所述的新型SU8胶电热致动微执行器，其特征是，所述的SU8悬臂梁用于直线推进，可以将悬臂梁结构从玻璃基底上卸下，安装在微机电结构上使用。
5.根据权利要求1所述的新型SU8胶电热致动微执行器，其特征是，所述的左导电层和右导电层为电极向SU8胶悬臂梁中通入电流。
全文摘要
本发明涉及的是一种MEMS微制造技术领域的用于直线推进的多弧结构的改性SU8电热微执行器。由SU8胶悬臂梁、与外部电路连接的左导电层、右导电层构成，SU8悬臂梁形状为多弧状结构，用于直线推进，为玻璃基底上制作的悬臂梁结构，悬臂梁梁体为掺入纳米碳管的SU8胶，左导电层和右导电层SU8胶悬臂梁的上方，通过下面的左导电层和右导电层与玻璃基底相连。本发明得到机械强度和导电性大大增加的悬臂梁结构，同时有利于减少工作的电流和降低工作温度；采用电热致动方式输出作用力大，动作可靠；工作电流较小，温度较低，对环境影响小，适应性强。
文档编号B81B3/00GK1923670SQ20061011629
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月21日 优先权日2006年9月21日
发明者张卫平, 陈实, 陈文元 申请人:上海交通大学