一种集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪的设计及微制作方法与流程

本发明涉及微纳米结构与微加工工艺相交叉的，更具体地说，涉及一种集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪及微制作方法。

背景技术：

碳纳米管作为一种可用于机械强化作用的高韧性纤维状材料，已用于很多体系的复合材料中。如许多其他材料与其复合后可得到具有优异性能的新材料及其微纳结构，并在微纳器件及系统中显示出独特而深具潜力的应用前景。碳-碳纳米管复合材料的弹性系数比硅低，并且没有明显的机械延滞效应。在微纳电子机械系统中，碳-碳纳米管复合材料微纳结构可作为驱动器拉伸、弯曲、扭转部位的候选材料。

微水平仪作为一种精确的定位装置，是许多微电子机械系统，尤其是采用微水平仪以实现精密驱动所面临的关键性问题，如微镜焦距调节装置，光刻机对准装置，相机对焦装置等。这类装置通常要求在激励信号作用下具有更大行程，更高共振频率，更低驱动电压且能很好控制的平台。鉴于碳-碳纳米管复合材料所具有的优异的综合性能，将其应用于微型水平仪中的铰链部位，可得到一种结构灵活，且不易损坏的铰链结构。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有更大行程，更高共振频率，更低驱动电压且能很好控制的集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪及微制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪及微制作方法。

1、一种集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪，其特 征在于，所述XY微型水平仪的铰链部分为碳-碳纳米管复合材料，XY微型水平仪与积层PZT驱动器相集成为一个基础微型水平仪。

按上述方案，集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪的微制作方法，包括以下步骤：

1)用典型RCA流程清洗硅基板，一般采用300-400微米厚度的单晶硅基板，其中长和宽均为2厘米，来制作微型水平仪。

2)对1)中所述硅片蒸镀铝，厚度为100纳米。

3)使用9000A光刻胶对1)中所述硅片的另一个面进行旋涂匀胶，匀胶参数为：第一步：5秒，500rpm转速；第二步：30秒，2500rpm转速。

4)对3)中所述已匀胶的硅片进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²。

5)将4)中所述硅片按顺序浸入RD-6显影液，时间为50秒，1号去离子水，时间为30秒，2号去离子水，时间30秒，以实现显影和润洗，并得到显影后的样品。

6)对5)中所述的有光刻胶图案的样品进行ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)深硅刻蚀，以形成贯穿硅片的深孔，这一步可得到微型硅模具。

7)对6)中所述的微型硅模具在1200℃，50kPa下的氢气气氛中实行快速升温的退火处理，并保温30分钟，以得到深孔内壁光滑的微型硅模具。

8)将步骤7)中所述的微型硅模具置于背底真空装置上，将质量含量为1％碳纳米管与SU-8 50光刻胶的混合物均匀涂到所述的微型硅模具上表面，然后进行背底真空操作，利用硅片两侧的压强差，使碳纳米管-光刻胶混合物填充微型硅模具。

9)用刀片将8)中所述的已填充碳纳米管-光刻胶混合物的微型硅模具的上下表面所残留的碳纳米管-光刻胶混合物初步去除，之后快速置于热台上烘烤，60℃，5分钟。

10)对9)中所述的微型硅模具样品进行氧等离子体灰化，以除去其上下两个表面残留的碳纳米管-光刻胶混合物，得到表面洁净的样品。

11)将10)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1 的速率从室温加热到400℃，并保持此温度60分钟。

12)对11)中所述的样品，进行与2)相同技术参数下的旋涂匀胶。

13)对12)中所述的样品进行与3)技术参数相同的紫外光刻，然后对其进行第二次ICP-RIE硅的深刻蚀加工。

14)将13)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到600℃，并保持此温度60分钟。

15)将确定长度和宽度的积层PZT驱动器通过微组装工艺与微型水平仪相集成。

实施本发明的集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪及微制作方法，具有以下有益效果：

1、采用硅的深刻蚀工艺以及一种新型的碳-碳纳米管复合材料高深宽比的填充工艺，以制作微型水平仪的铰链部分。所得到的具有碳-碳纳米管复合材料铰链结构的XY微型水平仪与积层PZT驱动器相集成为一个集成微型水平仪，这一水平仪采用响应快、驱动力大、高功率密度的积层PZT作为驱动器和弹性系数较低且无机械延滞效应的新型复合材料作为微铰链部分，确保了这一高性能集成XY微型水平仪的高可靠性和极大的应用前景。

2、设计并制造了一种驱动电压低，共振频率高，行程大，易于控制且使用寿命长的XY微型水平仪。运用一种新型的碳-碳纳米管复合材料高深宽比微结构的填充工艺以制作铰链部分，不仅保证其高质量，且大大简化了生产难度，适用于工业化大批量生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例1的碳-碳纳米管柔性铰链结构XY微型水平仪的加工过流程图；

图2是本发明实施例1的碳-碳纳米管柔性铰链结构XY微型水平仪与PZT装配图；

图3是本发明实施例1的碳-碳纳米管柔性铰链结构XY微型水平仪铰链 微结构图；

图4是本发明实施例1的碳-碳纳米管柔性铰链结构XY微型水平仪弹簧微结构图；

图5是本发明实施例1的碳-碳纳米管柔性铰链结构XY微型水平仪与PZT连接部分微结构图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图5所示，在本发明的集成有碳-碳纳米管复合材料微铰链结构的XY微型水平仪及微制作方法。

一种新型采用CNT/SU-850复合材料作为柔性铰链微结构的XY微型水平仪的制作方法，包括以下步骤：

1、用典型RCA流程清洗硅基板，一般采用300-400微米厚度的单晶硅基板(长和宽均为2厘米)来制作微型水平仪。

2、对1)中所述硅片蒸镀铝(100纳米厚度)。

3、使用9000A光刻胶对1)中所述硅片的另一个面进行旋涂匀胶，匀胶参数为：第一步：5秒，500rpm转速；第二步：30秒，2500rpm转速。

4、对3)中所述已匀胶的硅片进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²。

5、将4)中所述硅片按顺序浸入RD-6显影液(50秒)，1号去离子水(30秒)，2号去离子水(30秒)，以实现显影和润洗，并得到显影后的样品。

6、对5)中所述的有光刻胶图案的样品进行ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)深硅刻蚀，以形成贯穿硅片的深孔，这一步可得到微型硅模具。

7、对6)中所述的微型硅模具在1200℃，50kPa下的氢气气氛中实行快速升温的退火处理，并保温30分钟，以得到深孔内壁光滑的微型硅模具。

8、将步骤7)中所述的微型硅模具置于背底真空装置上，将质量含量为1％碳纳米管与SU-8 50光刻胶的混合物均匀涂到所述的微型硅模具上表面，然后进 行背底真空操作，利用硅片两侧的压强差，使碳纳米管-光刻胶混合物填充微型硅模具。

9、用刀片将8)中所述的已填充碳纳米管-光刻胶混合物的微型硅模具的上下表面所残留的碳纳米管-光刻胶混合物初步去除，之后快速置于热台上烘烤，60℃，5分钟。

10、对9)中所述的微型硅模具样品进行氧等离子体灰化，以除去其上下两个表面残留的碳纳米管-光刻胶混合物，得到表面洁净的样品。

11、将10)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到400℃，并保持此温度60分钟。

12、对11)中所述的样品，进行与2)相同技术参数下的旋涂匀胶。

13、对12)中所述的样品进行与3)技术参数相同的紫外光刻，然后对其进行第二次ICP-RIE硅的深刻蚀加工。

14、将13)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到600℃，并保持此温度60分钟。

15、将确定长度和宽度的积层PZT驱动器通过微组装工艺与微型水平仪相集成。

实施例2：

一种新型采用SU-8100作为柔性铰链微结构的XY微型水平仪的制作方法，包括以下步骤：

1、用典型RCA流程清洗硅基板，一般采用300-400微米厚度的单晶硅基板(长和宽均为2厘米)来制作微型水平仪。

2、对1)中所述硅片蒸镀铝(100纳米厚度)。

3、使用9000A光刻胶对1)中所述硅片的另一个面进行旋涂匀胶，匀胶参数为：第一步：5秒，500rpm转速；第二步：30秒，2500rpm转速。

4、对3)中所述已匀胶的硅片进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²。

5、将4)中所述硅片按顺序浸入RD-6显影液(50秒)，1号去离子水(30秒)，2号去离子水(30秒)，以实现显影和润洗，并得到显影后的样品。

6、对5)中所述的有光刻胶图案的样品进行ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)深硅刻蚀，以形成贯穿硅片的深孔，这一步可得到微型硅模具。

7、对6)中所述的微型硅模具在1200℃，50kPa下的氢气气氛中实行快速升温的退火处理，并保温30分钟，以得到深孔内壁光滑的微型硅模具。

8、将步骤7)中所述的微型硅模具置于背底真空装置上，将SU-8 100光刻胶均匀涂到所述的微型硅模具上表面，然后进行背底真空操作，利用硅片两侧的压强差，使SU-8 100光刻胶填充微型硅模具。

9、用刀片将8)中所述的已填充光刻胶的微型硅模具的上下表面所残留的光刻胶初步去除，之后快速置于热台上烘烤，60℃，5分钟。

10、对9)中所述的微型硅模具样品进行氧等离子体灰化，以除去其上下两个表面残留的光刻胶，得到表面洁净的样品。

11、将10)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到400℃，并保持此温度60分钟。

12、对11)中所述的样品，进行与2)相同技术参数下的旋涂匀胶。

13、对12)中所述的样品进行与3)技术参数相同的紫外光刻，然后对其进行第二次ICP-RIE硅的深刻蚀加工。

14、将13)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到600℃，并保持此温度60分钟。

15、将确定长度和宽度的积层PZT驱动器通过微组装工艺与微型水平仪相集成。

实施例3：

一种新型采用Polymide(聚酰亚胺)作为柔性铰链微结构的XY微型水平仪的制作方法，包括以下步骤：

1、用典型RCA流程清洗硅基板，一般采用300-400微米厚度的单晶硅基板(长和宽均为2厘米)来制作微型水平仪。

2、对1)中所述硅片蒸镀铝(100纳米厚度)。

3、使用9000A光刻胶对1)中所述硅片的另一个面进行旋涂匀胶，匀胶参数为：第一步：5秒，500rpm转速；第二步：30秒，2500rpm转速。

4、对3)中所述已匀胶的硅片进行紫外光刻，曝光剂量为400mJ/cm²。

5、将4)中所述硅片按顺序浸入RD-6显影液(50秒)，1号去离子水(30秒)，2号去离子水(30秒)，以实现显影和润洗，并得到显影后的样品。

6、对5)中所述的有光刻胶图案的样品进行ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)深硅刻蚀，以形成贯穿硅片的深孔，这一步可得到微型硅模具。

7、对6)中所述的微型硅模具在1200℃，50kPa下的氢气气氛中实行快速升温的退火处理，并保温30分钟，以得到深孔内壁光滑的微型硅模具。

8、将步骤7)中所述的微型硅模具置于背底真空装置上，将聚酰亚胺均匀涂到所述的微型硅模具上表面，然后进行背底真空操作，利用硅片两侧的压强差，使聚酰亚胺填充微型硅模具。

9、用刀片将8)中所述的已填充聚酰亚胺的微型硅模具的上下表面所残留的聚酰亚胺初步去除，之后快速置于热台上烘烤，60℃，5分钟。

10、对9)中所述的微型硅模具样品进行氧等离子体灰化，以除去其上下两个表面残留的聚酰亚胺，得到表面洁净的样品。

11、将10)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到400℃，并保持此温度60分钟。

12、对11)中所述的样品，进行与2)相同技术参数下的旋涂匀胶。

13、对12)中所述的样品进行与3)技术参数相同的紫外光刻，然后对其进行第二次ICP-RIE硅的深刻蚀加工。

14、将13)中所述的样品放入真空管式炉中，以氩气为气氛，以5℃ min^-1的速率从室温加热到600℃，并保持此温度60分钟。

15、将确定长度和宽度的积层PZT驱动器通过微组装工艺与微型水平仪相集成。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。