[發明專利]微彈簧的制備方法

有效

• 申請號: 201110397334.3
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102515092A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 王莉;趙勇;江雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: B81C99/00
• 分類號: B81C99/00;F16F1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術領域

本發明屬于化學化工、功能材料、微米和納米加工技術領域，特別涉及以斷裂控制法進行制備微彈簧的方法。

背景技術

隨著技術的發展，器件的微型化是實現其多功能和集成化的重要途徑，尤其是近年來微流控技術的發展，小尺寸的微機電系統(MEMS)在耗能少、響應時間短、精確度高、響應速度快等方面顯示出優異的性能，從而在精密儀器、生物醫療和國防科技等領域具有廣闊的應用前景。隨著微器件需求量的日益增長，目前急切需要成熟的加工技術能夠低成本大批量地制備微器件。

作為微器件中的最重要部分驅動裝置之一，微彈簧的加工技術備受關注。目前，國內外傳統的微彈簧制作主要是基于MEMS技術-微機械電子系統，包括化學腐蝕法、光刻電鑄或塑鑄法、掩膜電沉積法。前兩種方法只能得到二位尺度的平面彈簧，無法滿足加工材料多樣性要求，而且存在加工工藝復雜，周期長，設備投資大等方面的不足，而掩模電沉積方法，雖然可以得到三維尺度的彈簧，但是需要預先制作掩模板，所得彈簧的質量嚴重依賴于掩模板的制作工藝，而且其制備過程存在加工工藝復雜，周期長，設備投資大，制備材料單一等問題。如何尋求一種操作簡單、成本低廉的制備微彈簧的方法，成為人們關注的焦點問題之一。

CN101025211A和CN101130196中公開了微彈簧的激光或激光輔助加工制備方法。雖然這兩方法擺脫了對加工材料的限制，可以制備不同材料的三維彈簧，但是其制作過程需要制作配套的模具、精確的數控定位裝置以及昂貴的激光光源，依然存在加工工藝復雜，周期長，設備投資大等問題，從而不利于大批量制備。

發明內容

本發明的目的在于提供一種成本低、速度快、簡單便捷的以斷裂控制法進行制備微彈簧的方法。

本發明的微彈簧的制備方法包括以下步驟(制備過程可參見圖2)：

(1)將清洗干凈的硬質纖維材料用密封膠固定在U型支架上；

(2)將聚合物溶于有機溶劑中，攪拌，使聚合物完全溶解，得到聚合物溶液，再用酸溶液調節所得聚合物溶液呈酸性，優選聚合物溶液的pH值為2.6；然后再加入氧化物溶膠的前軀體，攪拌，使之形成均勻穩定的氧化物溶膠；

(3)將步驟(1)固定有硬質纖維材料的U型支架浸漬到步驟(2)得到的氧化物溶膠中，采用提拉法，將固定有硬質纖維材料的U型支架從氧化物溶膠中提拉出來，干燥(一般干燥的時間為12～24小時)，在硬質纖維材料上制備出具有核殼結構的氧化物凝膠紡錘節；其中殼是由氧化物溶膠干燥后形成的氧化物凝膠；其中殼是由氧化物溶膠干燥后形成的氧化物凝膠，核是硬質纖維材料；然后進行煅燒，使具有核殼結構的氧化物凝膠紡錘節中的殼層有機物(氧化物凝膠中含有有機物)被氧化除去，形成無機氧化物殼層，在形成無機氧化物殼層的同時，殼層開裂得到無機氧化物微彈簧。

本發明可進一步將殼層開裂得到的無機氧化物微彈簧中的硬質纖維核材料除去，所述的除去方法可將帶有硬質纖維核材料的殼層開裂得到的無機氧化物微彈簧在SuSS?MP5分析探針臺(Karl?Suss公司)中，通過微操作臂除去(如圖1所示)。

所述的用密封膠固定在U型支架上，是將硬質纖維材料固定在U型支架的開口一端。

所述的密封膠優選使用雙組份硅橡膠，其固化溫度為常溫，固化時間為0.5～2小時，該種密封膠可以在溫度為-200～800℃的環境中使用。

所述的清洗可依次用純凈水、丙酮、乙醇進行清洗，然后用惰性氣體(如氮氣)吹干。

所述的硬質纖維材料的直徑為5～80微米；硬質纖維材料選自碳纖維、玻璃纖維、不銹鋼絲、鎳合金絲、凱夫拉纖維等中的一種。

所述的形成均勻穩定的氧化物溶膠中的聚合物與氧化物溶膠的前驅體的摩爾比值為1∶18～1∶234000。

所述的聚合物溶液的質量濃度優選為3～16％。

所述的聚合物選自聚醚(P123、F68和F127)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一種。

所述的有機溶劑選自乙醇、異丙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)中的一種。

所述的酸溶液的濃度優選為1M；選自鹽酸、硫酸、硝酸、醋酸中的一種。

所述的氧化物溶膠的前軀體選自異丙醇鈦、正硅酸四乙酯、鈦酸四丁酯、鋯酸四丁酯、異丙醇鋁、硝酸鉍和硝酸鐵所組成的組中的一種。

所述的氧化物溶膠選自二氧化鈦溶膠、二氧化硅溶膠、二氧化鋯溶膠、氧化鋁溶膠、氧化鐵溶膠和鉍酸鐵溶膠所組成的組中的一種。