一种三维微机械弹簧及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于微机械加工的三维弹簧制造方法，尤其是一种通过结构旋转和半导体光刻工艺相结合的制造方法及用该方法制造的三维微机械弹簧。
【背景技术】
[0002]微弹簧在微力传感器和执行器中广泛应用。采用微机械加工技术可以很方便实现二维结构的制造，采用微加工技术制作平面弹簧、线圈等一些元件已经有很多报道。传统的三维弹簧或线圈具有二维结构器件不可比拟的优点，但现有的微机械加工方法难以实现这种复杂三微结构。如何能够快速便捷的完成三维器件的微加工，仍是目前研究热点之一。
【发明内容】
:
[0003]技术问题:本发明提出了一种三维微机械弹簧及其制造方法，本发明一致性好、成本低。
[0004]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种三维微机械弹簧结构，该弹簧结构包括支撑材料，黏附材料层，第一弹簧端，弹簧线，第二弹簧端;其中，
[0005]支撑材料包括相对设置的两个端面和将两个端面连接的主体；
[0006]支撑材料作为弹簧的载体，在靠近其任一端面的位置的外表面覆盖一圈黏附材料层，在黏附材料层表面覆盖一圈弹簧金属作为第一弹簧端;第二弹簧端套在支撑材料上，第一弹簧端和第二弹簧端之间通过由自由缠绕在支撑材料主体的弹簧线连接在一起。
[0007]优选的，所述制成材料为圆柱形。
[0008]本发明还提供了一种三维微机械弹簧的制造方法，该方法包括如下步骤:
[0009]第一步:在长条形固体支撑材料上采用旋转溅射、蒸发或喷涂的方法生长一层黏附材料层和弹簧金属种子层；
[0010]第二步:在上述支撑材料表面采用旋转喷胶方法均匀覆盖光刻胶，然后将覆盖有光刻胶的固体支撑材料放于光刻版一侧边缘，匀速向另一边滚动，同时光刻版另一侧用紫外光曝光；
[0011]第三步:曝光后的材料经显影，露出第一弹簧端、第二弹簧端和弹簧线部分；
[0012]第四步:带胶电镀弹簧金属，达到所需厚度后停止；
[0013]第五步:采用丙酮溶液泡除光刻胶，露出未电镀处的种子层金属，腐蚀掉种子层，然后控制时间再腐蚀掉需要去除的黏附材料层。
[0014]优选的，长条形支撑材料横断面是圆形、椭圆或方形中的任一种。
[0015]优选的，弹簧两端都为自由端或都固定在支撑材料上面。
[0016]优选的，第二步曝光时，支撑材料多根同时滚动曝光。
[0017]有益效果:
[0018]I)采用微机械制造技术加工三维弹簧结构，一致性好、成本低，可以成批加工;2)弹簧结构可以和支撑材料完美贴合，对某些需要在杆状结构上嵌入弹簧部件的微封装来说，本发明提出的方法效果和效率尤其突出。
【附图说明】
[0019]图1为本发明所提弹簧结构的示意图。
[0020]图2为光刻所用的掩模版示意图。
[0021]其中:圆柱形支撑材料1、黏附材料2、第一弹簧端3、弹簧线4和第二弹簧端5。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0023]参见图1，本发明提供的三维微机械弹簧结构，该弹簧结构包括支撑材料I，
[0024]黏附材料层2，第一弹簧端3，弹簧线4，第二弹簧端5;其中，
[0025]支撑材料I包括相对设置的两个端面和将两个端面连接的主体；
[0026]支撑材料I作为弹簧的载体，在靠近其任一端面的位置的外表面覆盖一圈黏附材料层2，在黏附材料层2表面覆盖一圈弹簧金属作为第一弹簧端3;第二弹簧端5套在支撑材料I上，第一弹簧端3和第二弹簧端5之间通过由自由缠绕在支撑材料I主体的弹簧线4连接在一起。
[0027]所述制成材料I为圆柱形。
[0028]本发明还提供了一种三维微机械弹簧的制造方法，该方法包括如下步骤:
[0029]第一步:在长条形固体支撑材料I上采用旋转溅射、蒸发或喷涂的方法生长一层黏附材料层2和弹簧金属种子层；
[0030]第二步:在上述支撑材料)表面采用旋转喷胶方法均匀覆盖光刻胶，然后将覆盖有光刻胶的固体支撑材料I放于光刻版一侧边缘，匀速向另一边滚动，同时光刻版另一侧用紫外光曝光；
[0031]第三步:曝光后的材料经显影，露出第一弹簧端3、第二弹簧端5和弹簧线4部分；
[0032]第四步:带胶电镀弹簧金属，达到所需厚度后停止；
[0033]第五步:采用丙酮溶液泡除光刻胶，露出未电镀处的种子层金属，腐蚀掉种子层，然后控制时间再腐蚀掉需要去除的黏附材料层2。
[0034]长条形支撑材料横断面是圆形、椭圆或方形中的任一种。
[0035]弹簧两端都为自由端或都固定在支撑材料I上面。
[0036]第二步曝光时，支撑材料多根同时滚动曝光。
[0037]本发明提出了一种基于微机械加工的三维弹簧制造方法。在圆柱形载体材料上通过溅射或电镀覆盖一层黏附材料，然后再在黏附材料上溅射或蒸发一层种子层金属，接下来通过三维光刻技术在圆柱体表面光刻形成图形，电镀弹簧金属达到所需的厚度，最后去除光刻胶，腐蚀掉种子层金属后再腐蚀不需要的黏附材料以释放出弹簧结构。
[0038]该制造方法可以实现固定在圆柱形载体上的弹簧，也可以实现脱离圆柱体的独立弹簧。弹簧的绕线直径由圆柱型载体材料决定，弹簧线的圈数、疏密和线径可以通过光刻图形的设计和工艺设计来决定。由于工艺简单，可以批量制作，一致性好且精度高。
[0039]I)选择金属圆形钨探针作为支撑材料I，采用旋转溅射的方法在钨针表面覆盖一层黏氧化硅黏附层2和钛金种子层
[0040]2)在上述探针表面采用旋转喷胶方法均匀覆盖光刻胶，然后采用图2的光刻掩模图形(该掩模图形实际是图1所示弹簧结构二维展开的形状)，将覆盖有光刻胶的圆柱形固体支撑材料I放于该光刻版一侧边缘，匀速向另一边滚动，同时光刻版另一侧用紫外光曝光。
[0041]3)曝光后的材料经显影，露出弹簧固定端3、自由端5和弹簧线4等部分；
[0042]4)带胶电镀金属镍，达到所需厚度(例如10微米)后停止；
[0043]5)采用丙酮溶液加超声泡除光刻胶，露出未电镀处的种子层金属钛金，采用碘化钾溶液腐蚀掉种子层金，然后用氢氟酸溶液腐蚀掉薄层钛和氧化硅，控制腐蚀时间，让氢氟酸溶液横向腐蚀掏空弹簧线4和弹簧自由端5下面的氧化硅，至此实现了图1所示结构的微加工。
【主权项】
1.一种三维微机械弹簧，其特征在于，该弹簧结构包括支撑材料(I)，黏附材料层(2)，第一弹簧端(3)，弹簧线(4)，第二弹簧端(5);其中， 支撑材料(I)包括相对设置的两个端面和将两个端面连接的主体； 支撑材料(I)作为弹簧的载体，在靠近其任一端面的位置的外表面覆盖一圈黏附材料层(2)，在黏附材料层(2)表面覆盖一圈弹簧金属作为第一弹簧端(3);第二弹簧端(5)套在支撑材料(I)上，第一弹簧端(3)和第二弹簧端(5)之间通过由自由缠绕在支撑材料(I)主体的弹簧线(4)连接在一起。2.根据权利要求1所述的三维微机械弹簧，其特征在于，所述制成材料(I)为圆柱形。3.一种三维微机械弹簧的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 第一步:在长条形固体支撑材料(I)上采用旋转溅射、蒸发或喷涂的方法生长一层黏附材料层(2)和弹簧金属种子层； 第二步:在上述支撑材料(I)表面采用旋转喷胶方法均匀覆盖光刻胶，然后将覆盖有光刻胶的固体支撑材料(I)放于光刻版一侧边缘，匀速向另一边滚动，同时光刻版另一侧用紫外光曝光； 第三步:曝光后的材料经显影，露出第一弹簧端(3)、第二弹簧端(5)和弹簧线(4)部分； 第四步:带胶电镀弹簧金属，达到所需厚度后停止； 第五步:采用丙酮溶液泡除光刻胶，露出未电镀处的种子层金属，腐蚀掉种子层，然后控制时间再腐蚀掉需要去除的黏附材料层(2)。4.根据权利要求3所述的三维微机械弹簧的制造方法，其特征在于，长条形支撑材料横断面是圆形、椭圆或方形中的任一种。5.根据权利要求3所述的三维微机械弹簧的制造方法，其特征在于，弹簧两端都为自由端或都固定在支撑材料(I)上面。6.根据权利要求3所述的三维微机械弹簧的制造方法，其特征在于，第二步曝光时，支撑材料多根同时滚动曝光。
【专利摘要】本发明提供了一种三维微机械弹簧及其制造方法，该弹簧构包括支撑材料(1)，黏附材料层(2)，第一弹簧端(3)，弹簧线(4)，第二弹簧端(5)；其中，支撑材料(1)包括相对设置的两个端面和将两个端面连接的主体；支撑材料(1)作为弹簧的载体，在靠近其任一端面的位置的外表面覆盖一圈黏附材料层(2)，在黏附材料层(2)表面覆盖一圈弹簧金属作为第一弹簧端(3)；第二弹簧端(5)套在支撑材料(1)上，第一弹簧端(3)和第二弹簧端(5)之间通过由自由缠绕在支撑材料(1)主体的弹簧线(4)连接在一起。本发明一致性好，成本低。
【IPC分类】B81B1/00, B81C1/00
【公开号】CN105645346
【申请号】
【发明人】秦明, 高磬雅, 王庆贺, 穆林
【申请人】东南大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月19日