高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金及制备方法与流程

本发明属于微电子机械系统(mems)加工领域与形状记忆合金智能材料领域，，涉及一种高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金及制备方法。

背景技术：

最近几十年来，微致动器由于能够在有限的微环境中精确协调，且精细处理各种微型目标，现已广泛应用于各种领域，如航空航天，文献：kudva,jayanthn.“overviewofthedarpasmartwingproject.”journalofintelligentmaterialsystemsandstructuresvol.15no.4(2004):pp.261–267.，生物医学，文献：lorenza,petriniandfrancesco,migliavacca.“biomedicalapplicationsofshapememoryalloys.”journalofmetallurgyvol.1(2011):pp.1–15.和机器人等领域，文献：sung-hyuk,songandjang-yeob,lee.“35hzsmaactuatorwithbending-twistingmode.”scientificreportsvol.6(2016):pp.1-13.。尤其是近期，借助于微电子机械系统(mems)技术的快速发展，现已实现使用mems技术来研究各种微致动器的设计与控制。其中，根据不同的致动原理，微致动器的材料种类可分为静电材料，文献：de,jongb.r.andbrouwer,dennism.etal.“designandfabricationofaplanarthree-dofsmems-basedmanipulator.”microelectromechsystemvol.19no.5(2010):pp.1116–1130.，压电陶瓷材料，文献：liang,qiaokangandzhang,dan.“six-dofmicromanipulatorbasedoncompliantparallelmechanismwithintegratedforcesensor,”roboticsandcomputer-integratedmanufacturingvol.27no.1(2011):pp.124–134.，电磁感应材料，文献：lin,shusenandchangsiqin.“gearshiftcontrolsystemdevelopmentfordirect-driveautomatedmanualtransmissionbasedonanovelelectromagneticactuator.”mechatronicsvol.24no.8(2014):pp.1214–1222.，热制动材料以及形状记忆合金材料。与其他类型材料相比，形状记忆合金具有的高能量密度，强驱动力，大致动距离，低成本以及优越的生物相容性，文献：barbarino,silverstroandflores,saavedra.“areviewonshapememoryalloyswithapplicationstomorphingaircraft.”smartmaterialsandstructuresvol.23no.6(2014):pp.63-71.，使其在各种应用领域，尤其是新型生物医疗领域，文献：a.nisar,afzulpurkar,nitin,mahaisavariya,banchong,andtuantranontadisorn.“mems-basedmicropumpsindrugdeliveryandbiomedicalapplications.”sensorsandactuatorsvol.130no.2(2008):pp.917–942.和erismis,mehmeta.andneves,hercp.“awater-tightpackagingofmemselectrostaticactuatorsforbiomedicalapplications.”microsystemtechnologiesvol.16no.12(2010):pp.2109–2113.，例如血管造影，血栓抓取，药物靶向输送以及肠梗阻治疗等，成为优先选用的智能材料。

但是源自热驱动而产生形状记忆功能，基于形状记忆合金的致动器，由于加热效率与散热效率差别巨大，文献：loh,chees.,yokoi,hiroshiandarai,tamio.“naturalheat-sinkingcontrolmethodforhigh-speedactuationofthesma.”internationaljournalofadvancedroboticsystemvol.3(2006):pp.213-221.，因此具有明显低响应速率的缺点，文献：velazquez,ramiroandpissaloux,edwigee.“modellingandtemperaturecontrolofshapememoryalloyswithfastelectricalheating.”internationaljournalofmechanicsandcontrolvol.13no.2(2012):pp.1-8.。为了克服这个缺陷，美国科学家walker，文献：walker,j.a.,gabriel,k.j.andmehregany,m.“thin-filmprocessingoftinishapememoryalloy.”sensorsandactuatorsa:physicalvol.21no1-3(1990):pp.243–246.。基于mems技术提出并制造得到了具有超大表面积体积比的形状记忆合金薄膜，其能够很好地解决形状记忆合金低响应速率的缺点。至此，由形状记忆合金薄膜组成的微致动器迅速应用于各种mems研究当中。takeuchi和shimoyama，文献：shigeki,takeuchiandisao,shimoyama.“athree-dimensionalshapememoryalloymicroelectrodewithclippingstructureforinsectneuralrecording.”microelectromechanicalsystemvol.9no.1(2000):pp.24–31.以及fu，文献：fu,y.q.,luo,j.k.andmilne,w.i.“ashapememorymicrocageoftini/dlcfilmsforbiologicalapplications.”journalofmicromechanicsandmicroengineeringvol.18no.3(2008):pp.26-35.等人分别使用了形状记忆合金薄膜设计并制造出了微型抓捕手，其中前者所设计制造的抓捕机构能够抓取重达0.5mg的塑料球；makino，文献：eiji,makino,takashi,mitsuyaandtakayuki,shibata.“fabricationoftinishapememorymicropump.”sensorsandactuatorsa:physicalvol.88no.3(2010):pp.256–262.等人以及sassa，文献：fumihiro,sassa,yazan,al-zain,takahiro,ginoza,shuichi,miyazakiandhiroaki,suzuki.“miniaturizedshapememoryalloypumpsforsteppingmicrofluidictransport.”sensorsandactuatorsb:chemicalvol.165no.1(2012):pp.157–163.等人则是使用形状记忆合金薄膜设计并制造出了微型泵装置；chung和chan，文献：chung,c.y.andchan,p.m..“nitishapememoryalloythinfilmmicro-cantileversarray.”thinsolidfilmsvol.519no.15(2011):pp.5307–5309.两位学者设计并制造出了微型图像传感器。然而，目前所研究的形状记忆合金薄膜基本上都是采用射频(rf)或直流(dc)磁离子溅射的方法制造，基于该制造方法所得到的微型形状记忆合金结构，基本都是通过稀释的氢氟酸，硝酸和去离子水的混合溶液腐蚀获得，文献：fu,yongqing,du,hejunandhumin.“tini-basedthinfilmsinmemsapplications:areview.”sensorsandactuatorsvol.112(2004):pp.395–408.，但该刻蚀方法不仅得到的结构特征尺寸精度差，具有严重的底切现象，刻蚀时间过长，同时根本无法制造出高精度的复杂三维结构。因此，研究开发出一种新型的制造高精度形状记忆合金薄膜复杂三维结构的方法具有重要的意义和价值。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金及制备方法，针对具有形状记忆功能的微致动器，结合电子束蒸镀(e-beamevaporation)、光刻胶剥离(lift-offresist)与二氟化氙干刻蚀(xef2dryetching)技术提出一种创新的形状记忆合金薄膜三维结构及制造方法，用于制造具有高精度复杂三维结构的形状记忆合金薄膜。

技术方案

一种高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金，其特征在于包括底部双晶片式形状记忆合金薄膜，顶部双晶片式形状记忆合金薄膜和驱动电极；驱动电极与底部双晶片式形状记忆合金薄膜通过支撑梁固定连接，驱动电极固定在硅片上，底部与顶部双晶片式形状记忆合金薄膜结构互为反对称，且两部分仅通过锚点114上下固定连接，除了锚点，上下双晶片式形状记忆合金薄膜无任何接触点，具有间隙，且底部形状记忆合金薄膜与硅片也不接触并具有间隙。

一种制备所述高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用1号掩膜，通过旋涂负的光刻胶并对其进行曝光显影后，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积应力层材料，最后通过光刻胶剥离lift-offresist的方法得到底部双晶片式结构的第一层结构以及所连接的电极，所述1号掩膜为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线以及驱动电极轮廓，使得该层结构的图案为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线与底层驱动电极轮廓；

步骤2：利用2号掩膜，在经过步骤1后的硅片上旋涂负的光刻胶并对其进行曝光显影后，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积底部双晶片式结构的第二层材料即形状记忆合金材料，而后通过光刻胶剥离的方法得到底部双晶片式结构的第二层结构，其中一部分沉积在第一层材料所在的圆弧部分，另一部分沉积在硅片表面；所述2号掩膜为与第一层结构中的扇形圆弧曲线同心的具有多孔结构的扇形，使得该层结构的图案为与第一层结构中的扇形圆弧曲线同心的具有多孔结构的扇形；

步骤3：在步骤2完成后的整个硅片表面沉积牺牲层材料；

步骤4：在步骤3完成后的整个硅片表面旋涂正的光刻胶，使用3号掩膜对其进行曝光显影，露出底部与顶部双晶片式形状记忆合金薄膜相连接的锚点部分；

步骤5：通过二氟化氙干刻蚀的方法将露出的锚点部分的牺牲层材料进行刻蚀，从而露出锚点处的底部双晶片形状记忆合金薄膜材料；

步骤6：利用2号掩膜，在经过步骤5处理之后的整个牺牲层上旋涂负的光刻胶，使用电子束蒸镀方法在牺牲层沉积底部双晶片式结构的第二层材料即形状记忆合金材料，而后通过光刻胶剥离的方法得到底部双晶片式结构的第二层结构，沉积得到顶部双晶片式结构的第一层材料即形状记忆合金材料，此时由于锚点部分的牺牲层材料被刻蚀，该层材料会塌陷并与步骤二所得到的材料在锚点部分相连接；

步骤7：利用4号掩膜，通过旋涂负的光刻胶并对其进行曝光显影后，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积应力层材料，最后通过光刻胶剥离的方法得到顶部双晶片式结构的第二层应力层材料，所述4号掩膜为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线，使得该层结构的图案为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线；至此整体形成了反对称式双晶片结构；

步骤8：旋涂负的光刻胶，利用6号掩膜曝光显影硅片上反对称式双晶片结构所在区域；所述6号掩膜为硅片上所有反对称式双晶片结构所在区域；

步骤9：采用二氟化氙干刻蚀的方法，将露出区域的牺牲层材料以及底部硅材料进行刻蚀，从而在顶部与底部双晶片式结构中形成空隙分离彼此，同时整体结构除电极外脱离硅片，形成自由结构，通过电极连接在硅片上；

步骤10：将制造完成的二维反对称式双晶片结构放入真空熔炉进行退火处理，保持大于20分钟后进行自然降温，从而使反对称式双晶片结构完成自动变形并记忆该三维锥形结构。

所述应力层材料和电极材料采用导电材料。

所述牺牲层材料采用能够被二氟化氙干刻蚀的材料。

所述牺牲层材料采用硅材料。

所述应力层材料采用铝。

有益效果

本发明提出的一种高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金及制备方法，使用的mems制造技术为二维平面制造技术，因此在结束整个制造过程后，整体结构仍然为二维结构。但是，当本发明的反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜从室温放置真空高温(温度高于形状记忆合金晶格成型温度，一般为500摄氏度以上)熔炉进行退火之后，由于组成整体结构的两种材料的热膨胀系数不同，例如铝的热膨胀系数大于形状记忆合金镍钛合金的热膨胀系数，因此这种双晶片式结构内部会产生应力，该应力会使双晶片式结构发生弯曲，具体针对本发明所提出的反对称式双晶片(bimorph)结构来讲，其顶部双晶片式形状记忆合金薄膜会向上发生弯曲，而底部双晶片式形状记忆合金薄膜会向下发生弯曲，直到温度变化与应力达到平衡时，整体反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜会形成类似于锥形的三维结构，由于所具有的形状记忆功能，该反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜会记住该锥形变形，即使重新放置室温并将其任意变形，当升高整体结构温度至相变温度以上(相变温度一般根据形状记忆合金成分的不同而不同，但远远低于退火温度)时，本发明的反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜会自动恢复至所记忆的三维锥形结构，从而得到了具有形状记忆功能的三维复杂结构的微致动器。

另一方面，前面提到的电极部分不仅能够保证整体结构通过电极连接在硅片上，同时可以在电极上施加电压形成电流，由于焦耳加热的效应，整体反对称式双晶片(bimorph)结构的温度会上升并超过相变温度，使得形状记忆合金恢复至所记忆的三维锥形结构，因此本发明所提出的反对称式双晶片(bimorph)结构不仅可以热驱动，同时也可以通过电驱动，即将电信号转化为位移变形。

本发明的有益效果是：提出了一种高精度反对称式双晶片结构的形状记忆合金及其制备方法。由于结合使用电子束蒸镀(e-beamevaporation)与光刻胶剥离(lift-offresist)的方法制造形状记忆合金薄膜结构，而不是采用传统的离子溅射方法沉积形状记忆合金薄膜后通过湿法腐蚀获得结构，因此通过本发明提出的制备方法获得的结构特征尺寸精度仅取决于光刻胶的精度，由于本发明所采用的曝光光刻胶的uv光的波长为500纳米左右，因此整体结构尺寸精度达0.5微米，是当前制造方法精度(50微米)的100倍。

同时，所采用的各方向同性的二氟化氙干刻蚀(xef2dryetching)方法以及巧妙设计的反对称式双晶片(bimorph)结构，使得本发明制造出的形状记忆合金薄膜具有复杂的三维结构，该三维结构在形状合金薄膜领域尚属首次。同时，干法刻蚀还避免了湿法腐蚀所引起的底切效应以及液体分子表面张力所带来的外加力干扰。

最后，本发明提出的制造方法可以实现大批量制造，从而在未来可以降低形状记忆合金仪器的生产成本。

附图说明

图1为高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构示意图；

图2为高精度反对称式双晶片形状记忆合金局部放大图；

图3为底部与顶部双晶片式结构连接处锚点(anchor)示意图；

图3a-图3d为图3的局部放大图；

图4为在有限元分析软件中，退火后反对称式双晶片形状记忆合金在温度升高后自动变为锥形三维结构的仿真图；

图5为本发明的高精度反对称式双晶片形状记忆合金具体制造过程；

图6为完成制造后，在退火前高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构在扫描电子显微镜下的图片；

图7为完成制造后，在退火后高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构在扫描电子显微镜下的图片；

图中：121-显示了每个圆弧曲线部分为双晶片式结构，即由铝和镍钛合金组成；

118-连接底部与顶部双晶片式结构的锚点(anchor)，可以看出该部分通过凹陷与底部链接，且锚点与顶部为一体式结构；

117-底部与顶部双晶片式结构之间的空隙，该空隙使得底部与顶部双晶片式结构只通过锚点(anchor)相连接，从而在变形过程中利于形成三维结构。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例具体结构为反对称式双晶片(bimorph)结构，包括底部双晶片式形状记忆合金薄膜，顶部双晶片式形状记忆合金薄膜，驱动电极，其中驱动电极与底部双晶片式形状记忆合金薄膜通过支撑梁固定连接，驱动电极固定在硅片上，底部与顶部双晶片式形状记忆合金薄膜结构为反对称，且两部分通过锚点(anchor)上下固定连接，除了锚点，上下双晶片式形状记忆合金薄膜无任何接触点，具有间隙，且底部形状记忆合金薄膜与硅片也不接触并具有间隙。本发明的反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜，主要有上下两个反对称的双晶片式结构组成，底部双晶片式形状记忆合金薄膜是由铝和形状记忆合金组成，且形状记忆合金被沉积在铝的上层；与之相反，虽然顶部双晶片式形状记忆合金薄膜同样是由铝和形状记忆合金组成，但铝被沉积在形状记忆合金的上层，故称此整体结构为反对称式双晶片(bimorph)结构。

如图1至图3所示，为高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构示意图，包括底部双晶片式形状记忆合金薄膜，顶部双晶片式形状记忆合金薄膜，驱动电极，驱动电极与底部双晶片式形状记忆合金薄膜通过支撑梁固定连接，驱动电极固定在硅片上，底部与顶部双晶片式形状记忆合金薄膜结构为反对称，且两部分通过锚点(anchor)118上下固定连接，除了锚点，上下双晶片式形状记忆合金薄膜无任何接触点，具有一定间隙117，且底部形状记忆合金薄膜与硅片不接触具有间隙。本发明的反对称式双晶片(bimorph)结构形状记忆合金薄膜，主要有上下两个反对称的双晶片式121结构组成，底部双晶片式形状记忆合金薄膜是由铝和形状记忆合金组成，且形状记忆合金被沉积在铝的上层；正相反，虽然顶部双晶片式形状记忆合金薄膜同样是由铝和形状记忆合金组成，但铝被沉积在形状记忆合金的上层。

高精度复杂三维结构的形状记忆合金薄膜的制造方法，创新地结合了电子束蒸镀(e-beamevaporation)、光刻胶剥离(lift-offresist)与二氟化氙干刻蚀(xef2dryetching)技术，具体步骤如下：

步骤1：利用1号掩膜，通过旋涂负的光刻胶，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积应力层材料铝，最后通过光刻胶剥离lift-offresist的方法得到底部双晶片式结构的第一层结构以及所连接的电极，所述1号掩膜为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线，使得该层结构的图案为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线；

步骤2：利用2号掩膜，在经过步骤1后的硅片上旋涂负的光刻胶，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积底部双晶片式结构的第二层材料即形状记忆合金材料，一部分沉积在第一层材料所在的圆弧部分，另一部分沉积在硅片表面，而后通过光刻胶剥离的方法得到底部双晶片式结构的第二层结构；所述2号掩膜与第一层结构中的扇形圆弧曲线同心的具有多孔结构的扇形，使得该层结构的图案为与第一层结构中的扇形圆弧曲线同心的具有多孔结构的扇形；

步骤3：在步骤2完成后的整个硅片表面沉积牺牲层材料硅；

步骤4：在步骤3完成后的整个硅片表面旋涂正的光刻胶，使用3号掩膜对其进行曝光显影，露出底部与顶部双晶片式形状记忆合金薄膜相连接的锚点部分；

步骤5：通过二氟化氙干刻蚀的方法将露出的锚点部分的牺牲层材料进行刻蚀，从而露出锚点处的底部双晶片形状记忆合金薄膜材料；

步骤6：利用2号掩膜，在经过步骤5处理之后的整个硅片上旋涂负的光刻胶，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积底部双晶片式结构的第二层材料即形状记忆合金材料，而后通过光刻胶剥离的方法得到底部双晶片式结构的第二层结构，沉积得到顶部双晶片式结构的第一层材料即形状记忆合金材料，此时由于锚点部分的牺牲层材料被刻蚀，该层材料会塌陷并与步骤二所得到的材料在锚点部分相连接；

步骤7：利用4号掩膜，通过旋涂负的光刻胶，使用电子束蒸镀方法在硅片上沉积应力层材料铝，最后通过光刻胶剥离lift-offresist的方法得到顶部双晶片式结构的第二层材料铝，所述4号掩膜为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线，使得该层结构的图案为一系列具有相同圆心相同弧度但半径不同的扇形圆弧曲线；至此整体形成了反对称式双晶片结构；

步骤8：旋涂负的光刻胶，利用6号掩膜曝光显影硅片上反对称式双晶片结构所在区域；所述6号掩膜为硅片上所有反对称式双晶片结构所在区域；

步骤9：采用二氟化氙干刻蚀的方法，将露出区域的牺牲层材料以及底部硅材料进行刻蚀，从而在顶部与底部双晶片式结构中形成空隙分离彼此，同时整体结构除电极外脱离硅片，形成自由结构，通过电极连接在硅片上；

步骤10：将制造完成的二维反对称式双晶片结构放入真空熔炉进行退火处理，保持大于20分钟后进行自然降温，从而使反对称式双晶片结构记忆三维锥形结构。

进一步对所得的高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构进行了有限元分析仿真验证与制造实验验证。

图4示出了在有限元分析软件中，当温度由室温(20摄氏度)升至退火温度(500摄氏度)后，由于两种材料热膨胀系数不匹配，所形成的反对称式双晶片形状记忆合金自动变为锥形三维结构，从图3可以看出，虽然使用mems技术制造的结构为二维结构，但是可以通过本发明提出的制造方法与巧妙设计，仍能够得到复杂的三维结构。

图6显示为完成制造后，在退火前高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构在扫描电子显微镜下的图片，可以看出在退火前，整体结构为二维结构。

图7显示为完成制造后，在退火后高精度反对称式双晶片形状记忆合金结构在扫描电子显微镜下的图片，可以看出在退火后，所形成的反对称式双晶片形状记忆合金自动变为锥形三维结构，这与有限元分析的仿真结果相同，证明通过本发明所提出的制造方法能够成功地获得对称式双晶片形状记忆合金结构。同时可以看出，结构的最小尺寸达到5微米，与目前利用离子溅射方法制备得到的形状记忆合金薄膜相比，具有更高的制造精度。