CN102336394A - 柔性mems减阻蒙皮的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，主要是为了提供一种改进的制造工艺而设计。本发明所述的减阻蒙皮的制造方法，包括：步骤1、在基底上制备一层中间夹层；步骤2、在完成步骤1的所述基底上制备一层柔性衬底；步骤3、在完成步骤2的所述基底上形成一层金属层，并采用MEMS平面微细工艺在所述金属层上形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；步骤4、在完成步骤3的所述基底上制备一层柔性表层，并通过光刻或刻蚀形成微凹坑阵列以及连接外部供电导线的焊接部位；步骤5、将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上剥离下来。本发明采用正序方法，先制备柔性衬底，然后制备柔性表层，减少了工序，简化了制作工艺。

Description

柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法

技术领域

本发明涉及微制造和柔性MEMS技术领域，尤其涉及一种柔性MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)减阻蒙皮的制造方法。

背景技术

水面及水下航行体行驶时所受到的行进阻力包括压差阻力、行波阻力和表面摩擦阻力等，其中表面摩阻通常占据最大比重，对于长度和长宽比/长径比较大的航行体尤其如此。因此，降低航行体表面摩擦阻力能够有效地提高航速、增加航程、降低能耗，具有巨大的经济价值。

目前摩阻减阻技术的理论和应用研究主要集中在湍流边界层，涉及多种技术方案，例如表面形貌减阻(如肋条减阻)、仿生减阻(如柔顺壁减阻)等无源减阻方式，以及聚合物添加剂减阻、注入气泡减阻等需要注入物质或消耗能量的减阻方式。在航行体表面形成一层气膜是现今理论减阻率最高的减阻方式之一，近年来受到了广泛的关注。主要思想为：以气膜将航行体大部分外表面包裹，从而变液-固界面为液-气-固界面，大大减小摩擦阻力。目前主要以超空化和喷入气体两种方式形成气膜。对于喷气方式，需要额外的气体喷射***，并且该***必需持续工作，这对航行体的动力***是较大负担。对于超空化方式，存在空化噪声，而且需要采用特殊的发动机，且功耗极大。

中国发明专利“柔性MEMS减阻蒙皮及其制造方法”(专利号ZL200910079713.0，授权公告日2011年1月26日)公开了一种利用驻留微气泡实现减阻的减阻蒙皮及其制造方法。其制造方法不足之处在于：采用了逆序方法制备减阻蒙皮，即先制备柔性材料薄膜表层，然后制备柔性材料薄膜衬底。从而带来了以下两个问题：①、需要存在中间工序采用体硅刻蚀工艺将硬质基底硅片完全去除，增加了工艺的难度以及成本；②、需要存在单独的工序以加工形成连接外部供电导线的焊接部位。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种改进的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其采用正序方法并简化了制造工艺。

为达到上述目的，本发明所述柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、在基底上制备一层中间夹层；

步骤2、在完成步骤1的所述基底上制备一层柔性衬底；

步骤3、在完成步骤2的所述基底上形成一层金属层，并采用MEMS平面微细工艺在所述金属层上形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；

步骤4、在完成步骤3的所述基底上制备一层柔性表层，并通过光刻或刻蚀形成微凹坑阵列以及连接外部供电导线的焊接部位；

步骤5、将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上剥离下来。

进一步地，所述中间夹层的聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1。

进一步地，所述柔性衬底的聚合物为聚酰亚胺。

进一步地，所述金属图案的金属材料为铂。

进一步地，所述的MEMS平面微细工艺包括：甩胶、光刻、溅射和超声剥离。

进一步地，所述柔性表层的聚合物为SU-8光刻胶或聚酰亚胺。

进一步地，其中，步骤5的具体实现步骤如下：

使用薄刀片和尖头镊子将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上机械剥离下来。

进一步地，其中，步骤5的具体实现步骤如下：

将完成步骤4的所述基底浸泡在有机化学溶剂中，以溶解所述中间夹层或改变所述中间夹层的性质，将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上脱落。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用正序方法，先制备柔性衬底，然后制备柔性表层，减少了工序，简化了制作工艺。

2.选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为中间夹层。PDMS薄膜具有高度的柔性以及较小的表面能，便于使用薄刀片和尖头镊子对形成在所述中间夹层上方的蒙皮结构与基底进行机械分离。同时，PDMS对有机溶剂，如丙酮、四氢呋喃等等，具有吸胀作用，吸胀后的PDMS表面粘性变得极弱，并且会发生变形，产生内应力，便于实现蒙皮结构的自然脱落。

3.选用SU-8光刻胶作为表层材料。SU-8光刻胶光刻性能好，能够实现小尺寸，大深宽比、高陡直度的凹坑结构。同时，SU-8光刻胶物理化学性能稳定，制备的减阻蒙皮能够满足不同环境下的使用要求。

附图说明

图1是本发明所述柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法的一具体实施例的流程图；

图2是本发明所述的硬质基底的结构示意图；

图3是本发明在所述硬质基底上制备一层中间夹层的结构示意图；

图4是本发明在所述中间夹层上制备一层柔性衬底的结构示意图；

图5是本发明在所述柔性衬底上形成一层含有电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线的金属图案的结构示意图；

图6是本发明在所述金属图案层上制备一层柔性表层的结构示意图；

图7是本发明通过对所述柔性表层进行光刻或刻蚀，形成微凹坑阵列以及引线端子焊接部位的结构示意图；

图8是本发明从硬质基底上分离后的减阻蒙皮的结构示意图。

附图标记：

1-基底；2-中间夹层；3-柔性衬底；4-电解阳极；5-电解阴极；

6-阳极引线端子；7-阴极引线端子；8-柔性表层；9-微凹坑。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、准备基底1。该基底最好选为硬质基底，如：单抛硅片或经抛光后的金属薄板，如图2所示。

步骤2、在所述基底1上旋涂聚合物的预聚物，固化后形成中间夹层2，如图3所述。所述聚合物为PDMS，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1。

步骤3、在完成步骤2的所述基底1上旋涂聚合物的预聚物，固化后形成柔性衬底3，如图4所述。所述聚合物为聚酰亚胺。

步骤4、在完成步骤3的所述基底1上形成一层金属层，并采用MEMS平面微细工艺在所述金属层上形成电解阳极4、电解阴极5、阳极引线端子6、阴极引线端子7和内部连线，如图5所示。其中，所述的金属图案优选材料为铂，以便电解电极在电解水反应中稳定不损耗。所述的MEMS平面微细工艺具体包括：甩胶、光刻、溅射和超声剥离。

步骤5、在完成步骤4的所述基底1上旋涂聚合物的预聚物，固化后形成柔性表层8，如图6所示。所述聚合物可光刻或刻蚀，本发明优先推荐聚酰亚胺和SU-8光刻胶。

步骤6、在完成步骤5的所述基底1上对所述柔性表层8进行光刻或刻蚀，形成微凹坑9阵列以及连接外部供电导线的焊接部位，如图7所示。所述的阳极引线端子6和阴极引线端子7通过内部连接分别与每个微凹坑内的电解阳极4和电极阴极5导通。

步骤7、将形成在所述中间夹层2上方的结构从所述基底1上剥离下来，形成如图8所示结构的减阻蒙皮。其中，该步骤可具体通过两种方式实现，方式一，采用机械方式将其分离，如使用薄刀片从中间夹层处将减阻蒙皮结构剃下来，或使用镊子将蒙皮结构从中间夹层处撕下。方式二，采用化学方式将其分离，如将基底以及已经制备好的中间夹层、柔性衬底、金属薄膜层以及柔性表层作为整体浸泡在有机化学溶剂中，以溶解中间夹层，或改变中间夹层的性质，使得蒙皮结构自然脱落。

实施例1：

制造方法包括如下步骤：

1.1、准备硬质基底：选用普通单抛硅片作为整个柔性减阻蒙皮加工的载体。

1.2、制备中间夹层：将PDMS单体与固化剂以单体的质量比为5∶1～20∶1的比例混合，充分搅拌均匀并抽真空处理15min以去除混合液中的气泡。使用匀胶机将搅拌均匀的混合溶液旋涂在硬质基底上，然后置于烘箱，在90℃下加热60min使PDMS固化。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的PDMS薄膜。本实施例中PDMS薄膜的厚度为20μm。

1.3、制备柔性衬底：在中间夹层上旋涂聚酰亚胺预聚体涂层胶，并加温固化。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的聚酰亚胺薄膜。本实施例中聚酰亚胺薄膜的厚度为20μm。

1.4、制备金属图案层：在所述柔性衬底上形成一层金属层，并在所述金属层上采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线。即采用甩胶-光刻-溅射-超声剥离的工艺在聚酰亚胺层(即柔性衬底)上制备铂图形，铂层厚度为

1.5、制备柔性表层：在所述柔性衬底和所述金属图案上旋涂SU-8光刻胶，然后置于烘箱内进行前烘。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的SU-8光刻胶薄膜。本实施例中SU-8光刻胶薄膜的厚度为50μm。

1.6、光刻：对上述步骤中制备的SU-8光刻胶进行曝光、显影以及后烘，形成微凹坑以及引线端子焊接部位。

1.7、分离蒙皮结构：将所述硬质基底以及已经制备好的中间夹层、柔性衬底、金属薄膜层以及柔性表层作为整体浸泡在盛有四氢呋喃溶液的烧杯中，并将烧杯置于超声清洗机中，辅助以超声振动，实现蒙皮结构的自然脱落。

实施例2：

制造方法包括如下步骤：

2.1、准备硬质基底：选用经抛光后的金属薄板作为整个柔性减阻蒙皮加工的载体。

2.2、制备中间夹层：将PDMS单体与固化剂以质量比为5∶1～20∶1的比例混合，充分搅拌均匀并抽真空处理15min以去除混合液中的气泡。使用匀胶机将搅拌均匀的混合溶液旋涂在硬质基底上，然后置于烘箱，在90℃下加热60min使PDMS固化。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的PDMS薄膜。本实施例中PDMS薄膜的厚度为200μm。

2.3、制备柔性衬底：在中间夹层上旋涂聚酰亚胺预聚体涂层胶，并加温固化。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的聚酰亚胺薄膜。本实施例中聚酰亚胺薄膜的厚度为50μm。

2.4、制备金属图案层：在所述柔性衬底上形成一层金属层，并在所述金属层上采用MEMS平面微细工艺制备金属图案，形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线。即采用甩胶-光刻-溅射-超声剥离的工艺在聚酰亚胺层(即柔性衬底)上制备铂图形，铂层厚度为

2.5、制备柔性表层：在所述柔性衬底和所述金属图案上旋涂聚酰亚胺预聚体涂层胶，并加温固化。本步骤中，通过调节匀胶机的转速以及选择不同的匀胶-固化次数可以得到不同厚度的聚酰亚胺薄膜。本实施例中聚酰亚胺薄膜的厚度为50μm。

2.6、刻蚀：对上述步骤中制备的聚酰亚胺薄膜进行刻蚀，形成微凹坑以及引线端子焊接部位，刻蚀深度以露出金属图案为准。

2.7、分离蒙皮结构：使用薄刀片和镊子将蒙皮结构从中间夹层处与硬质基底分离开来。

以上实施例均采用本发明的方法，其中所列的具体工艺方法、参数以及尺寸仅是举例，而非对本发明方法适用范围的限制。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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在基底上制备一层中间夹层；

步骤2、在完成步骤1的所述基底上制备一层柔性衬底；

步骤3、在完成步骤2的所述基底上形成一层金属层，并采用MEMS平面微细工艺在所述金属层上形成电解阳极、电解阴极、阳极引线端子、阴极引线端子和内部连线；

步骤4、在完成步骤3的所述基底上制备一层柔性表层，并通过光刻或刻蚀形成微凹坑阵列以及连接外部供电导线的焊接部位；

步骤5、将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上剥离下来。

2.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述中间夹层的聚合物为PDMS，该聚合物固化前的预聚物中固化剂与PDMS单体的质量配比为0.05～0.2∶1。

3.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述柔性衬底的聚合物为聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述金属层的金属材料为铂。

5.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述的MEMS平面微细工艺包括：甩胶、光刻、溅射和超声剥离。

6.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，所述柔性表层的聚合物为SU-8光刻胶或聚酰亚胺。

7.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，其中，步骤5的具体实现步骤如下：

使用薄刀片和尖头镊子将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上机械剥离下来。

8.根据权利要求1所述的柔性MEMS减阻蒙皮的制造方法，其特征在于，其中，步骤5的具体实现步骤如下：

将完成步骤4的所述基底浸泡在有机化学溶剂中，以溶解所述中间夹层或改变所述中间夹层的性质，将形成在所述中间夹层上方的结构从所述基底上脱落。

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