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1、常用于微、纳系统中的基础材料与工艺(二),田丽 2014.03,Outline,Polymer MEMS 热塑性PMMA 热固性PDMS 其他常用-族化合物,聚合物MEMS ( Polymer MEMS ）,Apolymeris a chemical compound with large molecules made of many smaller molecules of the same kind. Some polymers exist naturally and others are produced in laboratories and factories. 塑料、粘接剂、胶质玻
2、璃和有机玻璃等多种材料 机械强度低、熔点低和电导率差 作为工业材料的聚合物 重量轻， 工艺简单， 原材料和生产聚合物工艺的成本低， 耐腐蚀性高， 结构的韧性高， 形状稳定性高,用于MEMS和微系统的聚合物,光刻胶-聚合物被用于生产掩膜，通过光刻在衬底上产生所要图形 在LIGA工艺中被用于制作具有MEMS器件几何形状的初模，以制造微器件部件 导电聚合物可用于MEMS和微系统的有机衬底 铁电聚合物，其性质与压电晶体类似，可用于为器件中的执行源,Polymer MEMS Devices,Polymer materials have been used in MEMS in several capac
3、ities, including substrates, structural thin films, functional thin films, adhesion and packaging, coating,and surface chemical functionalization. Polymer is a large class of material that includes three major categories: fibers, plastics, and elastomers.,Major motivations for incorporating polymers
4、 into MEMS,Many polymer materials provide greater mechanical yield strain than silicon (in single crystalline, polycrystalline, and amorphous forms)； Many polymer materials are of significantly lower cost to acquire. Further, the processing of certain polymers can be accomplished outside of the clea
5、nroom confinement, lowering the cost of fabrication； Polymer substrate can be obtained in non-wafer forms. In contrast, silicon substrates can only be obtained in wafer format. Polymer MEMS can have unlimited sizes；,Electronics and optoelectronics are migrating strongly towards polymer, including di
6、splays, photo voltaic devices,memory,and transistors The silicon micromachining toolbox is relatively limited. Polymer MEMS increases the portfolio of microfabrication process drastically by allowing novel fabrication processes： casting and molding, low temperature chemical vapor deposition, embossi
7、ng, spraying, screen printing, thick film processing, and stereo lithography. Polymers provide unique chemical, structural and biological functionalities not available in any other material systems. For example, functional hydrogels can change volume in response to environmental pH and temperature.,
8、Major motivations for incorporating polymers into MEMS,Table 1. Representative Polymer MEMS materials and applications,PlasticMEMS processing is very flexible with respect to structural thicknesses and process parameters,Optical micrograph of a patch of polyimide multimodal tactile sensing skin,推动了柔
9、性MEMS器件的发展,有机聚合物 1. 热塑型聚合物： PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）； PC（聚碳酸酯） ； 聚酰胺； 聚苯乙烯等 2. 固化型聚合物： PDMS（聚二甲基硅氧烷）； 环氧树脂； 聚氨酯等 3.溶剂挥发型聚合物： 丙烯酸； 橡胶； 氟塑料等 其他,非硅基MEMS加工,聚合物MEMS （Polymer MEMS ）,热塑性材料 聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）,PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）,聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethylmethacrylate，PMMA，英文Acrylic），又称做压克力或有机玻璃。 PMMA的重量轻，密度比玻璃低：PMMA的密度大约在1150-1190
10、 kg/m3，是玻璃（2400-2800 kg/m3）的一半。同样大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43%。,PMMA材料特性,PMMA的机械强度较高：有机玻璃的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，而且形成分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高718倍。抗拉强度为67千克力/mm2，耐压强度为1214千克力/mm2，耐冲击性比聚苯乙烯好； 光学性能优越：可见光透过率达到92%，比玻璃的透光度高； PMMA能透过73%紫外线（石英能完全透过紫外线，但价格高昂，普通玻璃只能透过0.6%的紫外线）； 聚甲基丙烯酸甲酯能溶于
11、自身单体、氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂。,如何制作热塑性基底的微、纳器件？,热塑性材料微、纳器件结构成型技术（1）,hot embossing,热塑性材料微、纳器件结构成型技术（2）,超精密铣削技术,哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微小型超精密数控三轴立式机床 机床尺寸为300mm300mm290mm，主轴最大转速为120000rpm，最大径向跳动为1m；工作台行程：X75mm，Y75mm，Z75mm；驱动系统重复定位精度小于0.5m/75mm，工作台定位精度小于1m/75mm；速度范围1m/s250mm/s；采用全闭环控制，分辨率0.1m。,热塑性材料微、纳器件结构成型技术（3）,
12、我校超精密加工技术-机械加工法制作微纳米结构,精密工程研究所董申教授课题组与美国南卡罗莱纳大学李晓东教授课题组共同合作，在国际杂志Small上发表了一篇题为采用原子力显微术自上而下纳米机械加工三维纳米结构的文章。该杂志2008年SCI影响因子：6.525。 采用机床，利用车削、铣削等机械加工的方法很难加工纳米尺度结构，然而本研究将原子力显微镜这一个主要进行纳米检测的设备，改造成一个可以采用纳米机械去除方法进行加工的装置，实现了可控的、可重复的纳米加工过程。该研究在世界上第一次采用原子力显微镜的微探针自上而下纳米机械加工方法加工出了三维纳米结构，如人脸、正弦波、三角波等结构。,3D打印技术,三维
13、立体打印属于一种快速成型(Rapid prototyping)技术，是一种由CAD(计算机辅助设计)数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。 三维打印机采用分层加工，叠加成型方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。,热塑性材料微、纳器件结构成型技术（4）,3D打印机,3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 3D打印机有两种类型:堆叠法，烧结。 堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求 烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行
14、处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。,热固性材料 聚二氧基硅氧烷 （PDMS）,聚二甲基硅氧烷（PDMS）,聚二甲基硅氧烷( PDMS， polydimethylsiloxane） 是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅。 单体 或 交联反应Cross-linking of Polydimethylsiloxane 具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃；同硅片之间具有良好的粘附性，因此常用于芯片封装等领域。 其运用在生物微机电中的微流道系统、填缝剂、润滑剂、隐形眼镜。,PDMS材料性质,液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称做硅油，是
15、一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，其端基和侧基全为烃基（如甲基、乙基、苯基等）。一般的硅油为无色、无味、无毒、不易挥发的液体。 固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性（hydrophobic），惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量（Youngs modulus）导致的结构高弹性（structural flexibility）等。,如何制作热固性材料基底的微、纳器件？,PDMS Soft Lithography （软光刻技术）,由哈佛大学Wllitesides
16、教授为主的多个研究集体发展的微接触印刷、复制模塑、转移微模型、毛细微模塑、溶剂辅助微模塑、近场光刻蚀、软成型、纳米压印等技术，都使用了弹性模板作为微图案转移中介，而被统称为“软光刻” 技术。 软光刻一般是通过表面复制有细微结构的弹性印章(或印模)来转移图形。 与传统光刻技术相比，它能够实现曲面刻蚀，制作三维结构，方便地控制微接触印刷表面的化学物理性质，制作陶瓷、高分子、微颗粒等微制造材料的微图形，并且可以在普通实验室条件下实现大尺寸图案制作。,热固性材料微、纳器件结构成型技术（1）,langmuir-Blodgett film （LB膜技术）,langmuir-Blodgett film,LB膜(Langmuir Blodgett film)是一种超薄有机薄膜，LB膜技术是一种精确控制薄膜厚度和分子结构的制膜技术。这种技术是本世纪20-30年代由美国科学家I.Langmuir及其学生K.Blodgett建立的一种单分子膜沉积技术。,LB膜成膜过程,在水气界面上将不溶解的分子加以紧密有序
