本发明属于微机电系统(mems)技术领域,具体涉及一种基于pdms振膜的mems静电执行器及制作方法。
背景技术:
随着静电驱动方法在mems器件中被广泛采用,静电式执行器成为一种重要的驱动器件。其工作原理系利用异性电荷间产生的库仑力作用而产生的机械运动。静电执行器可以采用全si的工艺,并且能够与ic工艺相兼容,在批量化生产上有很大的优势,且其驱动力较大、功耗低,有很大的应用前景。
基于静电驱动的mems微型泵是微流体系统中的关键部件,微泵作为微流体系统的执行部件,在生物、化学、医疗、检疫以及国防等方面构建微分析系统(μtas)有着广泛的用途。
采用静电驱动可以获得较高的驱动频率,其具有能耗低(一般为毫瓦级)、振动膜片形变易于控制、响应时间短等特点。但是,静电驱动也有驱动电压高(一般大于50v),这与ic电路所用的低电压不兼容;此外,微泵中还需要防止电路短路的绝缘膜,通常需要采用造价昂贵的soi片作为原材料,大大增加了制造成本。
本发明提出了采用基于pdms材料作为振膜的mems静电执行器,其工艺简单、材料成本远低于si,且其生物兼容性好。因其弹性模量相对si薄膜小,可在较低的驱动电压下工作,在生物检测等领域具有较强应用前景。
技术实现要素:
本发明针对传统静电执行器中制造材料昂贵、工艺较为复杂的的问题,提供了一种基于pdms振膜的mems静电执行器及制作方法,该mems静电执行器由复合振动薄膜层、下电极层和硅结构层组成,其特征在于,复合振动薄膜层由两层pdms薄膜层中间夹一层导电薄膜层组成。
所述的pdms薄膜具有较好弹性,其厚度为100-300微米。
所述复合振动薄膜层中的导电薄膜层为金属或导电氧化物、导电聚合物中的一种。
所述下电极层为非本征半导体的si薄膜,其厚度为1-100微米。
所述下电极层的上、下界面层分别为绝缘性的薄膜层,以保护下电极层在静电驱动工作时不形成漏电。
所述绝缘性的薄膜层为氧化硅、氧化铝绝缘薄膜材料中的一种。
一种基于pdms振膜的mems静电执行器的制备方法,包括如下步骤:
(1)pdms薄膜的制备,pdms按照交联剂与固化剂5:1~15:1的比例混合、固化;
(2)pdms振膜图形化,采用uv软刻蚀或激光切割等方式对pdms进行加工;
(3)pdms膜沉积金属电极层;
(4)沉积绝缘薄膜以使金属电极层有效隔离;
(5)与下电极层通过有机物粘接。
附图说明
图1为基于pdms振膜的mems静电执行器的结构示意图;
01为第一pdms薄膜层,02为上电极层,03为第二pdms薄膜层,04为第一绝缘氧化硅,05为硅电极层,06为第二绝缘氧化硅层,07为si结构层。
具体实施方式
本发明提供了一种基于pdms振膜的mems静电执行器及制作方法,下面结合附图对本发明进一步说明。
一种基于pdms振膜的mems静电执行器,如图1所示,01为第一pdms薄膜层,02为上电极层,03为第二pdms薄膜层,04为第一绝缘氧化硅,05为硅电极层,06为第二绝缘氧化硅层,07为si结构层,上电极的下表面和凹面电极的上表面之间形成闭合运动空间。
所述上电极层02可为金属或导电氧化物、导电聚合物层。其上、下层分别为具有弹性和绝缘性能的pdms薄膜01、03,以保护上电极02。
所述下电极05为硅薄膜层,其厚度为10-200微米。其下层为具有绝缘性能的氧化硅薄膜04、07,以保护下电极05形成绝缘层。
所述硅层07为起到支撑作用的si层。
实施例
一种基于pdms振膜的mems静电执行器的制作方法,包括下述步骤:
首先在双面抛光si上旋涂pdms,其配比为10:1。然后经真空干燥箱内固化。
在固化好的pdms薄膜(01)上采用电子束蒸发沉积au电极层(02)。然后再旋涂pdms,其配比为10:1。经真空干燥箱内固化,形成pdms薄膜(03),薄膜厚度为100微米。采用激光切割或模板对pdms进行刻蚀,以形成电极区域。
采用背面光刻、并对si进行刻蚀实现泵腔的制备,完成泵腔与pdms振膜的组装。
选取表面氧化层厚度为300纳米的双面抛光si硅片用以制作下电极。首先在下电极区域刻蚀振膜腔体,腔体深度为50-100微米。
然后将上述si片进行热氧化处理以形成对si层的隔离。
采用刻蚀工艺对si片进行处理,形成下电极区域。最后,辅助以对准装置,通过胶体将执行器的各个组件采用粘接的方式组装。