[發明專利]無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺

無效

• 申請號: 201310644730.0
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103663363A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 張冬仙;史斌;胡曉琳;伊福廷;王波;蔣建中;章海軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B81C99/00
• 分類號: B81C99/00;G03F7/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

技術領域

本發明屬于微納米技術領域，涉及一種無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺。

背景技術

彈簧作為一種基礎機械零件，幾乎在人們所能接觸到的領域都有著廣泛的應用和不可或缺的地位。然而隨著近幾十年來微納米技術迅猛發展，利用MEMS（Micro-Electro-Mechanical?Systems）技術制備的微傳感器、微機械光學器件、微執行器、微型構件等微器件在各個領域取得令人矚目的成就，器件微型化的趨勢日漸顯著，各領域對于微彈簧的需求日益迫切，如何將傳統的機械彈簧微型化成為一項重要的課題。?

傳統意義上的彈簧數百年來得到了充分的研究，擁有相對完善的制備工藝，制備工藝一般分為冷加工和熱加工，通常有冷卷成形、熱卷成形、淬火、回火處理、去應力過火等步驟，然而這些成熟的機械制備方法只適用于通常尺寸的彈簧且對材料的塑形有一定要求，無法制備亞毫米級別的高倔強系數微彈簧。目前微彈簧在微機電系統中的應用模式還沒有系統的總結和歸納，已報道的微彈簧一般由MEMS工藝制備，例如LIGA或者UV-LIGA技術、硅基微機械加工技術和表面犧牲層技術等，上述方法通常只能制備平面結構彈簧，且材料的選擇有限，無法制備出具有優異機械性能的螺旋微彈簧。?

隨著彈簧尺寸的縮小，其抗壓、儲能能力亦會隨之下降，選擇一種強度比金屬高且不易碎的材料制備彈簧可有效改善彈簧的力學性能。Ni-Nb基無序合金強度高，硬度高，耐腐蝕，耐摩擦，它既有金屬和玻璃的優點，又克服了它們各自的弊病。無序合金的強度高于鋼，硬度超過高硬工具鋼，具有比較好的韌性和剛性，是制備微彈簧的理想材料,但利用其制備微彈簧需要克服傳統工藝無法加工微尺寸彈簧的技術難題。

發明內容

本發明的目的是填補現有技術的空缺，提供無序合金微彈簧及其制備方法與曝光臺。

具有高倔強系數和彈性極限的無序合金微彈簧，結構為螺旋型，整體尺寸在百微米量級到毫米級別，彈簧絲直徑大于等于10?um；材料為Ni-Nb基無序合金材料，楊氏模量大于180GPa，彈性極限大于2%。

所述具有高倔強系數和彈性極限的無序合金微彈簧制備方法，步驟如下：

1）利用機械加工或者注塑方法，制備一個PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）光刻膠圓柱；

2）將光刻膠圓柱夾持到曝光臺上進行X-ray曝光，控制曝光參數來調節微彈簧的節距和彈簧絲的直徑；

3）對曝光過的光刻膠圓柱進行顯影，得到顯影后的制備彈簧的PMMA模具；

4）用純度分別超過99.9%的鎳和鈮金屬在高于3*10^-3?Pa的真空下氬氣保護熔煉而成的靶材；

5）利用磁控濺射儀器和制得的靶材制備無序合金薄膜層，控制濺射時間來控制濺射厚度，濺射時使PMMA模具勻速地繞自身軸旋轉，保證無序合金薄膜層的厚度均勻性；

6）先用甲基丙烯酸甲酯溶液對帶有無序合金薄膜層的模具浸泡24小時，再用丙酮浸泡12小時，最后用無水乙醇浸泡清洗，釋放得到直徑一大一小的二個無序合金微彈簧。

步驟2）中，所述的曝光臺包括光刻膠圓柱、帶樣品夾的旋轉電機、掩膜板、步進電機、掩膜板夾具座、夾具，光刻膠圓柱夾持在帶樣品夾的旋轉電機上，可勻速轉動,?掩膜板利用夾具固定在掩膜板夾具座上，步進電機剛性聯接掩膜板夾具座，可驅動掩膜板直線運動,?掩膜板中心透光小孔與光刻膠圓柱中心處等高。?

所述的X-ray曝光方法，將光刻膠圓柱夾持到帶樣品夾的旋轉電機上進行X-ray曝光，X-ray透過掩膜板中心小孔射到光刻膠圓柱上，旋轉電機以????????????????????????????????????????????????的角速度勻速轉動，步進電機以的速度帶動掩膜板勻速移動，曝光劑量大小決定了曝光的深度，成型后彈簧絲的直徑與中心透光小孔的直徑相當。

用于制備無序合金微彈簧的曝光臺，包括光刻膠圓柱、帶樣品夾的旋轉電機、掩膜板、步進電機、掩膜板夾具座、夾具，光刻膠圓柱夾持在帶樣品夾的旋轉電機上，可勻速轉動,?掩膜板利用夾具固定在掩膜板夾具座上，步進電機剛性聯接掩膜板夾具座，可驅動掩膜板直線運動,?掩膜板中心透光小孔與光刻膠圓柱中心處等高。