一种微机电系统的运动部件及其加工方法与流程

本发明涉及一种微机电系统的加工工艺，尤其涉及一种微机电系统的运动部件及其加工方法。

背景技术：

微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)是独立的智能系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，具有体积小、重量轻、功耗低、性能稳定等特点，广泛应用于汽车、消费电子、医疗等领域。

微机电系统中包括多个运动部件(滑动部件和/或转动部件)，运动部件存在严重的磨损问题。现有技术中，通常采用材料表面改性技术或分子润滑膜技术来减少磨损。

但是，上述方法无法用于存在遮挡结构的运动部件的侧壁，并且后续进行表面改性或分子润滑膜的操作比较复杂，从而造成时间和成本的浪费。

目前，微纳米纹理技术被认为是一项非常有潜力的提高表面摩擦磨损性能的先进技术。但是，由于微机电系统的运动部件尺寸相对较小(厚度为几十个微米)，且表面的粗糙度质量较难控制，往往会遗传加工形成的丰富微观形貌和较大的粗糙度，使得微纳米纹理技术很难应用于微机电系统的运动部件。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种微机电系统的运动部件及其加工方法，降低运动部件侧壁的摩擦力，提高运动部件的耐磨损性能。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种微机电系统的运动部件，运动部件的侧壁形成有网状的微纳米图案；微纳米图案包括凸起结构以及与凸起结构交叉的波纹状结构。

进一步地，凸起结构通过刻蚀工艺形成，凸起结构平行于刻蚀方向；波纹状结构通过刻蚀工艺中交替进行的刻蚀和钝化过程形成，波纹状结构垂直于刻蚀方向。

进一步地，凸起结构包括多个相互平行的凸起；波纹状结构包括多条相互平行的条带纹。

进一步地，运动部件的特征尺寸为0.1mm-1mm，多个凸起之间的间距为0.1μm-300μm，凸起的宽度为0.1μm-300μm，凸起的高度为0.1μm-100μm。

进一步地，运动部件的特征尺寸为0.1μm-100μm，多个凸起之间的间距为0.01μm-10μm，凸起的宽度为0.01μm-10μm，凸起的高度为0.01μm-10μm。

进一步地，多个条带纹之间的间距为0.01μm-10μm，条带纹的宽度为0.01μm-10μm，条带纹的高度为0.01μm-10μm。

进一步地，运动部件的侧壁的表面形成有表面改性层和/或分子润滑膜。

进一步地，沿垂直于刻蚀方向，凸起的横截面的形状为正弦波形或者周期性的脉冲波形。

进一步地，其特征在于，沿垂直于刻蚀方向，凸起的横截面的形状为矩形、梯形或弧形。

本发明还提供了一种微机电系统的运动部件的加工方法，包括如下步骤：

步骤s1：在运动部件基体的上表面涂覆光刻胶层；

步骤s2：通曝光和显影工艺，在光刻胶层形成凸起结构的横截面的形状；

步骤s3：通过反应离子深刻蚀工艺，在运动部件的侧壁形成凸起结构，在刻蚀工艺交替进行的刻蚀和钝化过程中在运动部件的侧壁形成波纹状结构，使得凸起结构和波纹状结构构成网状的微纳米图案，得到侧壁形成有微纳米图案的微机电系统的运动部件。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的微机电系统的运动部件在制备过程中，通过刻蚀工艺在运动部件的侧壁形成凸起结构，通过刻蚀工艺中交替进行的刻蚀和钝化过程形成波纹状结构，两者相互交叉耦合构成满足耐磨要求的网状的三维微纳米图案，在保证运动部件的侧壁具有一定力学强度的基础上，弱化了加工遗传的微形貌对摩擦磨损性能的负面影响，提高了侧壁的磨粒存储能力，磨粒在微纳米图案之间能够减少了两个运动部件相接触的侧壁之间的动摩擦力，同时，微纳米图案还能够进一步减小两个运动部件相接触的侧壁之间的接触面积和静摩擦力，将微纳米纹理技术能够应用于微机电系统的运动部件，提高了微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能，实现对存在遮挡结构的运动部件的侧壁进行减摩抗磨处理。

b)本发明提供的微机电系统的运动部件，由于微纳米图案与运动部件整体设计、一次加工形成，不需要特殊的加工技术和额外工序，方法简单、可操作性强。

c)本发明提供的微机电系统的运动部件通过设计刻蚀工艺中掩膜版以及调整刻蚀工艺中刻蚀和钝化过程的参数，可以精确地控制微纳米图案的尺寸，从而优化微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的微机电系统的运动部件的结构示意图；

图2为本发明实施例一的微机电系统的运动部件的凸起结构的第一种形状的示意图；

图3为本发明实施例一的微机电系统的运动部件的凸起结构的第二种形状的示意图；

图4为本发明实施例一的微机电系统的运动部件的凸起结构的第三种形状的示意图；

图5为本发明实施例一的微机电系统的运动部件的凸起结构的第四种形状的示意图；

图6为本发明实施例而的微机电系统的运动部件的加工方法的流程图。

附图标记：

1-凸起；2-条带纹；3-运动部件基体；4-光刻胶层。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种微机电系统的运动部件，如图1至图5所示，其侧壁形成有网状的微纳米图案，该微纳米图案包括凸起结构和波纹状结构，凸起结构与波纹状结构相互交叉来形成网状的微纳米图案。其中，凸起结构通过刻蚀工艺形成，凸起结构平行于刻蚀方向；波纹状结构通过刻蚀工艺中交替进行的刻蚀和钝化过程形成，波纹状结构垂直于刻蚀方向。

与现有技术相比，本实施例的微机电系统的运动部件，在制备过程中，通过刻蚀工艺在运动部件的侧壁形成凸起结构，通过刻蚀工艺中交替进行的刻蚀和钝化过程形成波纹状结构，两者相互交叉耦合构成满足耐磨要求的网状的三维微纳米图案，在保证运动部件的侧壁具有一定力学强度的基础上，弱化了加工遗传的微形貌对摩擦磨损性能的负面影响，提高了侧壁的磨粒存储能力，磨粒在微纳米图案之间能够减少了两个运动部件相接触的侧壁之间的动摩擦力，同时，微纳米图案还能够进一步减小两个运动部件相接触的侧壁之间的接触面积和静摩擦力，将微纳米纹理技术能够应用于微机电系统的运动部件，提高了微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能，实现对存在遮挡结构的运动部件的侧壁进行减摩抗磨处理。并且，由于微纳米图案与运动部件整体设计、一次加工形成，不需要特殊的加工技术和额外工序，方法简单、可操作性强。

此外，通过设计刻蚀工艺中掩膜版以及调整刻蚀工艺中刻蚀和钝化过程的参数，可以精确地控制微纳米图案的尺寸，从而优化微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能。

为了进一步优化微纳米图案的尺寸，上述凸起结构可以包括多个相互平行的凸起1，当运动部件的特征尺寸为0.1mm-1mm时，多个凸起1之间的间距为0.1μm-300μm，凸起1的宽度为0.1μm-300μm，凸起1的高度为0.1μm-100μm；当运动部件的特征尺寸为0.1μm-100μm时，多个凸起1之间的间距为0.01μm-10μm，凸起1的宽度为0.01μm-10μm，凸起1的高度为0.01μm-10μm。将凸起1的尺寸以及多个凸起1之间的间距限定在上述范围内，在保证运动部件的侧壁具有一定力学强度的基础上，进一步提高了微纳米图案的磨粒存储能力，磨粒在微纳米图案之间能够减少了两个运动部件相接触的侧壁之间的动摩擦力，同时，微纳米图案还能够进一步减小两个运动部件相接触的侧壁之间的接触面积和静摩擦力，从而进一步提高微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能。

需要说明的是，所谓特征尺寸是指四倍的运动部件的横截面面积与运动部件的横截面周长的比值，举例来说，当运动部件的横截面的形状为圆形，其特征尺寸＝4πr²/2πr＝2r，也就是说，圆形的特征尺寸为其直径d，其中，r为圆形的半径，d为圆形的直径；当运动部件的横截面的形状为长方形，其特征尺寸＝4ab/2(a+b)其中，a为长方形的宽，b为长方形的长。

相应地，当运动部件的特征尺寸为0.1mm-1mm时，多个凸起1之间的间距与凸起1的宽度的比可以为0.5-0.9，这样进一步限定了凸起结构的尺寸，使得凸起1产生的磨粒能够有足够的空间进入多个凸起1之间的间隙。同样地，当运动部件的特征尺寸为0.1μm-100μm时，多个凸起1之间的间距与凸起1的宽度的比可以为0.3-0.9。

为了进一步优化微纳米图案的尺寸，波纹状结构可以包括多条相互平行的条带纹2，多个条带纹2之间的间距为0.01μm-10μm，条带纹2的宽度为0.01μm-10μm，条带纹2的高度为0.01μm-10μm。

为了进一步提高微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能，可以在运动部件的侧壁的表面设置表面改性层和/或分子润滑膜。将现有的减摩抗磨的方法与实施例提供的微纳米图案相结合，能够进一步提高微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能。

具体来说，对于凸起1的形状，沿垂直于刻蚀方向，凸起1的横截面的形状可以为正弦波形、周期性的脉冲波形或其他周期性波形。考虑到设计和加工的方便性以及耐摩擦和耐磨损性能的可控性，凸起1的横截面的形状可以为矩形(如图2所示)、梯形(如图3至图4所示)或弧形(如图5所示)，其中，凸起1的横截面的形状为矩形时，微纳米图案的磨粒存储能力最大。

实施例二

本实施例提供了一种微机电系统的运动部件的加工方法，如图6所示，包括如下步骤：

步骤s1：在运动部件基体3的上表面涂覆光刻胶层4；

步骤s2：通过曝光和显影工艺，在光刻胶层4形成凸起结构的横截面的形状；

步骤s3：通过反应离子深刻蚀工艺，在运动部件的侧壁形成凸起结构，在刻蚀工艺交替进行的刻蚀和钝化过程中在运动部件的侧壁形成波纹状结构，使得凸起结构和波纹状结构构成网状的微纳米图案，得到侧壁形成有微纳米图案的运动部件。

本实施例提供的微机电系统的运动部件的加工方法与实施例一提供的微机电系统的运动部件的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

需要说明的是，光刻胶层4的凸起结构的横截面的形状主要是采用具有凸起结构的横截面形状的掩膜通过构图工艺来形成的。

对于运动部件基体3的材料，其可以为单晶硅、多晶硅、锗、砷化镓、氧化硅、氮化硅、铝、铝合金、钨、钨合金、钛、钛合金、镍或镍合金。

而对于刻蚀和钝化时间来说，刻蚀和钝化时间长会生成尺寸较大的波纹状结构，侧壁粗糙度较大；刻蚀和钝化时间短会生成尺寸较小的波纹状结构，侧壁较为光滑。示例性地，刻蚀时间为5s～15s，钝化时间为5s～15s，刻蚀与钝化之间的时间间隔为0s～1s。将刻蚀时间、钝化时间以及刻蚀与钝化之间的时间间隔限定在上述范围内，能够得到形状和尺寸较为优化的微纳米图案，且微纳米图案的均匀性较好，从而优化微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能。

为了将现有的减摩抗磨的方法与微纳米图案相结合，进一步提高微机电系统的运动部件的侧壁的耐摩擦和耐磨损性能，上述加工方法还包括如下步骤：

步骤s4：在侧壁形成有微纳米图案的运动部件的表面形成表面改性层和/或分子润滑膜。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。