[發(fā)明專利]一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器及制作方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710403984.1
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107215845A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏峰;趙鴻濱;苑鵬;楊志民;杜軍;徐瑤華
• 申請（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00;F04B43/04
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11246
• 代理人: 朱琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器及制作方法。

背景技術(shù)

隨著靜電驅(qū)動方法在MEMS器件中被廣泛采用，靜電式執(zhí)行器成為一種重要的驅(qū)動器件。其工作原理系利用異性電荷間產(chǎn)生的庫侖力作用而產(chǎn)生的機械運動。靜電執(zhí)行器可以采用全Si的工藝，并且能夠與IC工藝相兼容，在批量化生產(chǎn)上有很大的優(yōu)勢，且其驅(qū)動力較大、功耗低，有很大的應(yīng)用前景。

基于靜電驅(qū)動的MEMS微型泵是微流體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，微泵作為微流體系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在生物、化學(xué)、醫(yī)療、檢疫以及國防等方面構(gòu)建微分析系統(tǒng)(μTAs)有著廣泛的用途。

采用靜電驅(qū)動可以獲得較高的驅(qū)動頻率，其具有能耗低(一般為毫瓦級)、振動膜片形變易于控制、響應(yīng)時間短等特點。但是，靜電驅(qū)動也有驅(qū)動電壓高(一般大于50V)，這與IC電路所用的低電壓不兼容；此外，微泵中還需要防止電路短路的絕緣膜，通常需要采用造價昂貴的SOI片作為原材料，大大增加了制造成本。

本發(fā)明提出了采用基于PDMS材料作為振膜的MEMS靜電執(zhí)行器，其工藝簡單、材料成本遠低于Si，且其生物兼容性好。因其彈性模量相對Si薄膜小，可在較低的驅(qū)動電壓下工作，在生物檢測等領(lǐng)域具有較強應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對傳統(tǒng)靜電執(zhí)行器中制造材料昂貴、工藝較為復(fù)雜的的問題，提供了一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器及制作方法，該MEMS靜電執(zhí)行器由復(fù)合振動薄膜層、下電極層和硅結(jié)構(gòu)層組成，其特征在于，復(fù)合振動薄膜層由兩層PDMS薄膜層中間夾一層導(dǎo)電薄膜層組成。

所述的PDMS薄膜具有較好彈性，其厚度為100-300微米。

所述復(fù)合振動薄膜層中的導(dǎo)電薄膜層為金屬或?qū)щ娧趸铩?dǎo)電聚合物中的一種。

所述下電極層為非本征半導(dǎo)體的Si薄膜，其厚度為1-100微米。

所述下電極層的上、下界面層分別為絕緣性的薄膜層，以保護下電極層在靜電驅(qū)動工作時不形成漏電。

所述絕緣性的薄膜層為氧化硅、氧化鋁絕緣薄膜材料中的一種。

一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器的制備方法，包括如下步驟：

(1)PDMS薄膜的制備，PDMS按照交聯(lián)劑與固化劑5:1～15:1的比例混合、固化；

(2)PDMS振膜圖形化，采用UV軟刻蝕或激光切割等方式對PDMS進行加工；

(3)PDMS膜沉積金屬電極層；

(4)沉積絕緣薄膜以使金屬電極層有效隔離；

(5)與下電極層通過有機物粘接。

附圖說明

圖1為基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖；

01為第一PDMS薄膜層，02為上電極層，03為第二PDMS薄膜層，04為第一絕緣氧化硅，05為硅電極層，06為第二絕緣氧化硅層，07為Si結(jié)構(gòu)層。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器及制作方法，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器，如圖1所示，01為第一PDMS薄膜層，02為上電極層，03為第二PDMS薄膜層，04為第一絕緣氧化硅，05為硅電極層，06為第二絕緣氧化硅層，07為Si結(jié)構(gòu)層，上電極的下表面和凹面電極的上表面之間形成閉合運動空間。

所述上電極層02可為金屬或?qū)щ娧趸铩?dǎo)電聚合物層。其上、下層分別為具有彈性和絕緣性能的PDMS薄膜01、03，以保護上電極02。

所述下電極05為硅薄膜層，其厚度為10-200微米。其下層為具有絕緣性能的氧化硅薄膜04、07，以保護下電極05形成絕緣層。

所述硅層07為起到支撐作用的Si層。

實施例

一種基于PDMS振膜的MEMS靜電執(zhí)行器的制作方法，包括下述步驟：

首先在雙面拋光Si上旋涂PDMS，其配比為10:1。然后經(jīng)真空干燥箱內(nèi)固化。

在固化好的PDMS薄膜(01)上采用電子束蒸發(fā)沉積Au電極層(02)。然后再旋涂PDMS，其配比為10:1。經(jīng)真空干燥箱內(nèi)固化，形成PDMS薄膜(03)，薄膜厚度為100微米。采用激光切割或模板對PDMS進行刻蝕，以形成電極區(qū)域。

采用背面光刻、并對Si進行刻蝕實現(xiàn)泵腔的制備，完成泵腔與PDMS振膜的組裝。

選取表面氧化層厚度為300納米的雙面拋光Si硅片用以制作下電極。首先在下電極區(qū)域刻蝕振膜腔體，腔體深度為50-100微米。