磁遥控驱动微结构的制备方法

专利名称：磁遥控驱动微结构的制备方法
技术领域：
本发明涉及微机电器件领域，具体涉及一种磁遥控驱动微结构的制备方法。
背景技术：
微结构器件自问世以来引起世界各国的广泛重视，由于其具有体积小、精度 高、质量轻、能耗低、灵敏性和工作效率高等优点，在国防、工业、航空航天、 生物、医学等领域具有广泛的应用前景，相关的研究突飞猛进。
实现微结构器件的驱动是获得完整微机电系统(MEMS)的重要一环，其原 理是将其它形式的能量(电、热、光等)转换为机械能，可实现输出诸如力、力 矩、位移或状态的变化，用于MEMS的微开关、微致动器等。目前采用硅制造工 艺制造的微驱动器，其动作实现主要是利用一些物理效应，驱动机制有静电力 驱动、压电力驱动、热膨胀力驱动、光致动、形状记忆合金致动等。这些驱动方 式各有优缺点，实际应用中采用何种驱动方式时要考虑驱动力或作用位移的大 小、能耗高低、制造工艺复杂程度、是否易于同集成电路工艺兼容等多方面问题。
发展一种简单、易操作的微结构驱动方式尤其是遥控驱动方式是至关重要
的。磁力驱动是利用磁场实现力或者力矩无接触传递的一种驱动方式，已在中型、 大型设备和装置中如反应搅拌釜、真空设备、高速机床、阀门传动机构、液压传 动机构、仪器仪表、检测机构等已经得到了广泛应用。但在微结构器件领域磁力 驱动的研究还处于刚刚起步阶段，其深入的研究和发展将微结构提供一种重要的 驱动方式。
目前常用于微结构加工的技术包括由传统机械加工手段发展的精密及超精 密机械加工技术、化学腐蚀的Si-MEMS技术、离子束刻蚀技术、LIGA技术等。 这些技术中Si-MEMS技术由于成熟的半导体工艺支撑和硅材料本身所具备的良 好的电子和机械性能最被看好。但是科技的进步对微结构器件的材料和性能提出 了更高的要求，有些是Si-MEMS技术无法满足的，例如在硅材料中难于实现生 物兼容性和磁驱动微结构遥控操作方式等。这种背景之下，近年来出现的激光微 加工技术成为Si-MEMS微加工的重要补充技术。
激光微加工技术具有非接触、有选择性加工、热影响区域小、高精度、形状 易于控制等优点。激光微加工独特的"直写"技术，简化了工艺，实现了微型构件 的快速成型制造。激光微立体光刻技术是快速成型的立体光刻工艺应用于微制造 领域中衍生出来的一种加工技术，它以树脂材料为原料，激光焦点或树脂基底可
控运动，焦点扫描处树脂聚合固化，获得微构件。其最大特点是不受微型器件或 系统结构形状的限制，可以加工包含曲面在内的任意三维结构，并且可以将不同 的微构件一次成型，不需微装配环节。在微立体光刻中利用飞秒脉冲激光实现三 维微加工具有显著优点；包括"冷"加工，光和物质超快相互作用过程超快、功率 极高，使加工过程在最大限度上避免了热效应；高精度，由于多光子过程的吸收 截面非常小，使加工精度达到几十纳米。因此，激光微纳加工技术已经被看作是 制备微结构的最有效手段之一，拥有巨大的应用潜力和诱人的发展前景。

发明内容
本发明的目的在于克服现有微结构驱动技术中的不足和缺陷，提供一种基于 磁性材料的磁遥控驱动微结构的制备方法。
该微结构充分利用了各种磁性材料的制备工艺及其磁学性质，并将激光加工 技术与磁功能材料有机结合，突破了传统激光聚合材料只是起结构支撑作用的局 限；利用铁磁或电磁即可实现该微结构操作简单、无接触的遥控驱动。
本发明是通过以下技术方案实现的首先利用物理或化学方法合成磁性材 料，然后将磁性材料与光敏聚合材料体系(即光刻胶)共混制备磁性光刻胶，再 利用搭建的激光三维加工系统逐点扫描磁性光刻胶，显影后即获得磁遥控驱动微 结构器件。
本发明所述方法，其更为具体的步骤如下 (1)利用物理或化学方法合成磁性材料
根据待制备的磁性材料选择合适的合成方法。所述的物理方法包括机械磨球 法、溅射法、刻蚀法等，化学方法包括化学共沉淀法、高温热解法、溶胶凝胶法、 金属有机气相沉积法等。
所述的磁性材料包括磁性纳米材料(几到几十纳米)和磁性超细粉体(几百 纳米到几百微米)。
所选择的磁性材料可以是铁、钴、镍、锰的单质、氧化物(包括Fes04、 Y
-Fe203、 Mn203、 Mn304)、合金以及铁氧体(CoFe204、 NiFe204、 MnFe204)。 所述的磁性纳米材料和磁性超细粉体可以是零维的磁粒子，也可以是一维的 磁纳米线、磁微米线。
所述的零维的磁粒子的结构可以仅仅是磁粒子本身，也可以是具有表面活性 剂如油酸、油胺修饰的磁粒子(修饰方法参考"Fe304纳米颗粒的表面改性"， 任欢鱼，化学研究，Vol.14 No.1 Mar. 2003和"Size隱Controlled Synthesis of Magnetite Nanoparticles"， Shouheng Sun丄Am. Chem. Soc. 2002, 124,
8204-8205 );或是具有功能性表面材料如3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 2-(trimethoxysilyl)ethyl acrylate修饰的磁粒子(修饰方法参考 "Magnetic field synthesis of Fe304 nanopartivles used as a precursor of ferrofluids，，， Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2007 310 37-47);
或者是无机-有机(如四氧化三铁-苯乙烯)、无机-无机(如铂铁合金-氧化锰)、 无机-无机-有机(如镍-氧化镍-嘧啶)等核-壳结构的磁性粒子。
磁粒子的形状包括球形、椭球形、立方体、长方体、长条形、三角形、菱形 等形状。
(2) 将磁性材料与光敏聚合材料体系共混制备磁性光刻胶 利用物理共混方法将磁性材料与光敏聚合材料体系按照一定比例(2: 98 ~
20: 80)混合制备磁性光刻胶。
所述的光敏聚合材料体系包括苯乙烯类、丙烯酸类、丙烯酸酯类、环氧树脂 类、不饱和聚酯类、酰胺类、醋酸乙烯类的材料体系。
每一类光敏聚合材料体系通常包括单体、预聚物(也称齐聚物)和光引发剂。 聚合类型可以是自由基型、阴离子型或阳离子型。
所述的丙烯酸酯类光敏聚合材料的单体包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙 酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯，预聚物包括二季 戊四醇五丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙 烯酸酯、环氧丙烯酸酯，光引发剂包括苯乙酮、安息香醚、硫杂蒽酮、1-对吗啉 苯基-2-二甲氨基-2-苄基-1 -丁酮材料。
(3) 搭建激光加工系统
搭建用以实施激光微区扫描和材料固化的激光加工系统。所述的激光加工系 统包括光源系统、软件控制系统、三维精密移动系统、实时监测系统。
所述的光源系统的光源选择为飞秒脉冲激光系统、皮秒脉冲激光系统、纳秒 脉冲激光系统或连续激光系统，产生用于三维激光加工的光束；飞秒脉冲激光系 统的波长范围是200~2600nm，脉冲宽度范围是10fs~900fs，重复频率范围是 1Hz 80MHz，单脉冲能量范围10pJ~1mJ;皮秒脉冲激光系统的波长范围是 200~2600nm，脉冲宽度范围是10ps~900ps，重复频率范围是1Hz 80MHz， 单脉冲能量范围1nJ 1J;纳秒脉冲激光系统的波长范围是200 2000nm，脉冲 宽度范围是10ns~900ns，重复频率范围是1Hz 10KHz，单脉冲能量范围 10pJ 1J。
软件控制系统将需要加工的微结构模型转化为可识别指令，首先由CAD程 序设计微结构模型，保存为DXF或STL文件；然后用VB转化软件或Geomagic Studio软件读取，处理成点云数据；再用VB编写的控制程序读取点云数据，进 而通过与计算机相连的串口驱动三维精密移动系统。
三维精密移动系统用于控制激光聚焦点在光刻胶中三维运动，可分为两类， 一类由二维高速扫描转镜和精密陶瓷压电平台两种元件组成，转镜控制激光水平
x、 y方向移动，压电平台控制样品z方向上下移动；另一类是只由三维移动压 电平台一种元件构成，控制样品在x、 y、 z方向上移动。转镜和压电平台的移动 是由软件控制系统进行控制，两类系统的精度都可达到为1 nm。采用北京世纪 尼桑有限公司的T8306型号的转镜可使激光在X、 Y方向上移动范围分别为 100|jm、 100|jm;采用德国Physik lnstrumente公司P622型号的精密陶瓷压电 平台在Z方向上移动范围为250pm;采用德国Physik lnstrumente公司P517.3 型号的三维移动压电平台在X、 Y、 Z方向上移动范围分别为100|jm、 100pm、 20|jm。
实时监测系统的普通照明光源(如图1中的15)位于压电平台和样品上方， 其发出的可见光通过电介质镜(如图1中的10)、经反射镜(如图1中的13)、 透镜(如图1中的14)，进入CCD摄像头(如图1中的16)。激光光点扫描过 的位置光刻胶聚合，利用聚合前后的光刻胶对光的折射率不同CCD成像，对整 个加工过程进行实时监测。
上面步骤中所使用的设备、光学器件等均为常规产品。反射镜为铝反射镜， 激光光斑的移动速度的范围为1nm/s~1cm/s。
(4)激光加工上述磁性光刻胶，经显影后，即可获得磁性微结构。
将体积约为0.2~0.4 ml的磁性光刻胶滴在盖玻片上，厚度约为1~2 mm，盖 玻片固定于压电平台上；软件控制系统发送指令，控制光闸的通断进而控制光束 的开启与关闭；软件控制系统驱动三维精密移动系统，进而使聚焦的激光光点在 磁性光刻胶内逐点扫描，激光扫描处位点的磁性光刻胶发生双光子吸收聚合或热 聚合，在磁性光刻胶内实现按照微结构模型的选择性固化。未固化部分经显影后， 即获得所需的磁性微结构。
所述的显影过程是利用溶剂将液态光刻胶清洗掉，溶剂包括丙酮、四氢呋喃、 氯仿、甲苯等。


图1:激光加工系统示意图2 (a):实施例1制备的Fes04-油酸磁性纳米材料的X射线衍射光谱； 图2 (b):实施例1制备的Fe304-油酸磁性纳米材料红外透射光谱；
图2 (C):实施例1制备的Fe304-油酸磁性纳米材料透射电子显微镜图片;
图3(3):实施例1所述激光加工的微弹簧照片；
图3 (b):实施例1的微弹簧在铁磁体作用下的弯曲照片；
图4 (a): Fe304-油酸、油胺磁性纳米材料的X射线衍射光谱；
图4 (b): Fe304-油酸、油胺磁性纳米材料红外透射光谱；
图4 (C): Fe304-油酸、油胺磁性纳米材料透射电子显微镜图片；
如图1所示，各部件为1光源系统，2衰减片，3光闸，4反射镜，5反射 镜，6反射镜，7透镜，8透镜，9转镜，10电介质镜，11物镜，12压电平台， 13反射镜，14透镜，15照明光源，16CCD摄像头。
具体实施例方式
实施例1:
(1) 制备磁性纳米材料。采用化学共沉淀方法制备Fe3(V油酸磁性纳米材料。 将5.38g FeCI3.6H20溶于200ml去离子水中，氮气保护下加入1.98g FeCI2.4H20。电动搅拌下迅速加入7ml浓度为8%的氨水，搅拌3小时后油浴升 温至8(TC，滴加1.22g油酸，滴加完毕反应30分钟。利用磁铁吸附，去离子水 冲洗三次，烘干，获得2.54g产物，图2所示的X射线衍射数据、红外透射光 谱证明产物为Fe304-油酸磁性纳米材料，透射电子显微镜图片显示纳米粒子粒 径为15nm左右。
(2) 制备磁性光刻胶。将Fes04-油酸磁性纳米材料与光引发剂1 一对吗啉苯 基-2-二甲氨基-2-苄基-1-丁酮(L369)和苯偶酰(BPO)、树脂单体丙烯酸甲酯
(MA)、树脂预聚物季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)按重量百分比Fe304-油酸 (3%): L369 (0.5%): BPO (0.3%): MA (36%): PETA (60.2%)均匀混 合，获得磁性光刻胶原料。
(3) 搭建飞秒脉冲激光加工系统。激光搭建示意图如图1所示，经飞秒脉冲 激光系统1输出的飞秒脉冲激光经过光闸2、衰减片3 (OD2型，衰减后的光强 可为原来光强的1%~100%，本例中衰减后的光强可为原来光强的12。/。)和三个 用于调整光路的反射镜4、 5、 6后进入用于聚焦的凸透镜7，再经过另一个凸透 镜8使光束扩散为光斑直径更大的平行光束，再经过转镜9、电介质镜后10进 入物镜11后，聚焦于压电平台12上的样品内，光斑直径约为500nm，光斑能 量约为100|jJ。
所用的电介质镜10可使激光光束99%的能量进行反射用于加工，而使实时 监测系统的照明光源发射的可见光全透射用于监测。所用凸透镜7的焦距为 30mm，凸透镜8的焦距为200mm，物镜11为100倍浸油物镜。
软件控制系统编写的微弹簧结构由三部分组成立方体底座、微弹簧及末端
微球；其中底座的编写程序是由点到线，再到面，由下到上逐渐生成立方体底座; 微弹簧的编写程序是使点数据的生成按X方向直线运动，Y、 Z方向做圆环运动，
当微弹簧到达设计长度时记录此点，并以此点为球心编写程序从外向内构筑末端 微球。
(4)利用飞秒脉冲激光加工获得磁性微弹簧结构。实验所用飞秒激光脉冲波 长为800 nm，脉冲宽度为120 fs，重复频率为80 MHz，加工功率为30 mW， 物镜的数值孔径为1.35。
将约0.2 ml磁性光刻胶滴于2 cm x 4 cm的清洁玻璃表面(厚度为1 mm)， 玻璃基底固定于压电平台上。上述飞秒脉冲激光经过图1中的光路聚焦在磁性光 刻胶内部，按照软件控制系统编写的微弹簧程序，三维精密移动系统控制飞秒脉 冲激光光点在磁性光刻胶内逐点扫描，扫描的位点经光引发剂的双光子吸收而使 磁性光刻胶聚合、固化，获得磁性微弹簧结构。所加工的磁性微弹簧结构经丙酮 显影后的显微镜照片如图3(a)所示，其中立方体底座与玻璃基底相连，微弹簧及 末端微球悬浮于基底上方。立方体底座的尺寸为15ijm(长)x15pm(宽) x10Mm(高)，微弹簧的长度为60ym，微弹簧的直径为2.1|jm，螺距为6.0|jm。 顶部小球直径为14pm。利用铁磁体驱动微弹簧运动，图3(b)所示为微弹簧在磁 铁作用下弯曲照片。
实施例2:
(1) 制备磁性纳米材料。采用高温热解法制备Fe304作为核、油酸和油胺共 同作为表面修饰材料的磁性纳米材料。在三口瓶中将2 mmol前驱物三乙酰丙酮 铁Fe(acac)3和10 mmol还原剂1，2-十六垸二醇溶于20 ml苯乙醚溶剂，同时加 入6mmol油酸、6mmol油胺，磁力搅拌下通氮气30分钟，加热至20(TC保持 30分钟，然后加热至25(TC再保持30分钟，离心、洗涤，获得产物。图4所示 的X射线衍射数据、红外透射光谱证明产物为Fe3CU-油酸、油胺磁性纳米材料， 透射电子显微镜图片显示纳米粒子粒径为6 nm左右。
(2) 将Fe304-油酸、油胺磁性纳米材料与光引发剂L369和BPO、 MA、树脂 预聚物聚氨酯丙烯酸酯(PUA)按重量百分比Fe3(V油酸、油胺(5%): L369
(0.4%): BPO (0.3%): MA (44.3%): PUA (50%)均匀混合，获得磁性光 刻胶原料。
(3)搭建飞秒脉冲激光加工系统。激光搭建示意图如图1所示，经飞秒脉冲 激光系统1输出飞秒脉冲激光经过光闸2、衰减片3 (OD2型，衰减后的光强可 为原来光强的1%~100%，本例中衰减后的光强可为原来光强的8%)和三个用 于调整光路的反射镜4、 5、 6后进入用于聚焦的凸透镜7，再经过另一个凸透镜 8使光束扩散为光斑直径更大的平行光束，再经过转镜9、电介质镜后10进入 物镜11聚焦于压电平台12上的样品内进行加工。所用的电介质镜可使激光光 束99%的能量进行反射用于加工，而使实时监测系统的照明光源发射的可见光 全透射用于监测。所用凸透镜7焦距为30mm，凸透镜焦距8为200mm，物镜 11为100倍浸油物镜。
软件编写的微光子晶体结构由6个微棒相连的折叠面构成，每个折叠面由6 个微平面组成，微平面间的夹角为120度；每个微平面由6个横向排列的正方 形格子组成；微光子晶体的编写程序由点构成线再构成格子、微平面、折叠面、 微光子晶体。
(4)利用飞秒脉冲激光加工获得磁性微光子晶体结构。实验所用飞秒脉冲激 光脉冲波长为800 nm，脉冲宽度为120 fs，重复频率为80 MHz，加工功率为 30 mW，物镜的数值孔径为1.35。将约0.2 ml磁性光刻胶滴于2 cm x 4 cm清 洁的玻璃表面，玻璃基底固定于压电平台上。上述飞秒脉冲激光经过图1中的光 路聚焦在磁性光刻胶内部，按照软件控制系统编写的微光子晶体程序，三维精密 移动系统控制飞秒脉冲激光光点在磁性光刻胶内逐点扫描，扫描的位点经光引发 剂的双光子吸收而使磁性光刻胶聚合、固化，获得磁性微光子晶体结构。加工的 磁性微光子晶体尺寸为3CHjm(长)x3(Hjm(宽)x25ijm(高)，利用铁磁体拉伸该磁 性微光子晶体，最大拉伸尺寸为30ijm(长)x 30ijm(宽)x 38Mm(高)。
权利要求
1、磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于首先利用物理或化学方法合成磁性材料，然后将磁性材料与光敏聚合材料体系共混制备磁性光刻胶，再利用激光三维加工系统的激光光束逐点扫描磁性光刻胶，固化显影后即获得磁遥控驱动的微结构器件。
2、 如权利要求1所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于(1) 物理方法包括机械磨球法、溅射法或刻蚀法，化学方法包括化学共沉 淀法、高温热解法、溶胶凝胶法或金属有机气相沉积法；(2) 磁性材料是铁、钴、镍或锰的单质、氧化物、合金或合金氧化物；(3) 磁性材料是零维的磁粒子、 一维的磁纳米线或磁微米线；(4) 磁性材料是磁性纳米材料或磁性超细粉体。
3、 如权利要求2所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于(1) 磁粒子是磁粒子本身或是具有表面活性剂修饰的磁粒子，或是具有功 能性表面材料修饰的磁粒子，或是无机-有机、无机-无机、无机-无机 -有机结构的磁性材料；(2) 磁粒子的形状为球形、椭球形、立方体、长方体、长条形、三角形或菱形。
4、 如权利要求1所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于(1) 利用物理共混方法将磁性材料与光敏聚合材料体系按照一定比例混 合制备磁性光刻胶；(2) 光敏可聚合材料体系包括苯乙烯类、丙烯酸类、丙烯酸酯类、环氧树 脂类、不饱和聚酯类、酰胺类或醋酸乙烯类材料体系；(3) 每一类光敏可聚合材料体系包括单体、预聚物和光引发剂；(4) 聚合类型是自由基型、阴离子型或阳离子型。
5、 如权利要求1所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于丙烯酸 酯类光敏聚合材料体系的单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基 丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸丁酯，预聚物为二季戊四 醇五丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三 丙烯酸酯或环氧丙烯酸酯，光引发剂为苯乙酮、安息香醚、硫杂蒽酮或1-对吗啉苯基-2-二甲氨基-2-苄基-1-丁酮材料。
6、 如权利要求1所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于激光三 维加工系统由光源系统、软件控制系统、三维精密移动系统和实时监测系 统组成，(1) 光源系统的光源选择为飞秒脉冲激光系统、皮秒脉冲激光系统、纳秒 脉冲激光系统或连续激光系统，产生用于三维激光加工的光束；(2) 软件控制系统将磁遥控驱动微结构的模型转化为可识别指令，进而通 过与计算机相连的串口驱动三维精密移动系统；(3) 三维精密移动系统用于控制激光聚焦点在磁性光刻胶中的三维运动， 进而加工得到磁遥控驱动微结构；(4) 实时监测系统的普通照明光源发出可见光，透过电介质镜(10)、经 反射镜(13)、透镜(14)、进入CCD摄像头(16)，对整个激光三 维加工过程进行实时监测。
7、 如权利要求6所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于三维精密移动系统是由二维高速扫描转镜(9)和精密陶瓷压电平台(12)两种元 件组成，转镜控制激光水平x、 y方向移动，压电平台(12)控制样品z方 向上下移动。
8、 如权利要求6所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于三维精 密移动系统是由三维移动压电平台(12) —种元件构成，控制样品在x、 y、 z方向上移动。
9、 如权利要求1所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于是将磁 性光刻胶滴在盖玻片上，盖玻片固定于压电平台(12)上；软件控制系统 驱动三维精密移动系统，进而使聚焦的激光光束在磁性光刻胶内逐点扫描， 在磁性光刻胶内实现按照微结构模型的选择性固化，未固化部分经显影后， 即获得所需的磁性微结构。
10、 如权利要求9所述的磁遥控驱动微结构的制备方法，其特征在于所述的显影是利用溶剂将液态光刻胶清洗掉，溶剂为丙酮、四氢呋喃、氯仿或甲 苯。
全文摘要
本发明属于微机电领域，具体涉及一种利用三维激光加工技术制备磁遥控驱动微结构的方法。其首先利用物理或化学方法合成磁性材料，然后将磁性材料与光敏聚合材料体系共混制备磁性光刻胶，再利用搭建的激光三维加工系统逐点扫描磁性光刻胶，显影后即获得磁遥控驱动的微结构器件。制备的微结构充分利用了各种磁性材料的制备工艺及其磁学性质，并将激光加工技术与磁功能材料有机结合，突破了传统激光聚合材料只是起结构支撑作用的局限，进而利用铁磁或电磁实现该微结构驱动。其最大特点是该驱动方式简单、易操作、无接触、可遥控，并且该制备过程不受微结构形状的限制，可以加工包含曲面在内的任意三维结构。
文档编号G03F7/00GK101192002SQ200710193540
公开日2008年6月4日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者虹 夏, 孙洪波, 陈岐岱, 高炳荣 申请人:吉林大学