一种形状可控的三维自组装微机械结构

摘要

本发明公开一种形状可控的三维自组装微机械结构，首先变形前的平面结构由对温度不敏感的聚合物基体和对温度敏感的水凝胶铰链组成，降低平面结构所处的环境温度，平面微机械结构变形为三维微机械结构且三维微机械结构中几何参数可由温度改变量控制；再将降低后的环境温度恢复到初始温度，三维微机械结构恢复到初始的平面微机械结构；该机械结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于微机械系统中制造类似三维结构提供了简单的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械结构，具体涉及一种形状可控的三维自组装微机械结 构。

背景技术

微机电系统(简称MEMS)是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发 展起来的，融合了光刻、腐蚀、电铸、注塑、薄膜沉积、硅微加工、非硅微加 工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感 器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电 子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的 新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣 和国防安全的关键技术。

现有的微机械结构加工方式对于加工三维微机械结构十分复杂，且现有的 加工方式加工出来的微机械结构都是固定的、不可变形的，无法实现多种工况 下结构形状的转变。而在多种工况下可变形的三维微机械结构在工程实际中有 重要的需求，因此本发明提供的形状可控的三维微机械结构对于微机械结构的 加工技术的发展有重要意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种形状可控 的三维自组装微机械结构,利用对温度不敏感的聚合物基体和对温度敏感的水凝 胶铰链，通过降低环境温度使平面结构变形为三维结构且三维结构中几何参数 可由温度改变量控制；再将降低后的环境温度恢复到初始温度，三维结构恢复 到初始的平面结构；该机械结构可以重复使用，且尺寸可以小到微米级，对于 微机械系统中制造类似三维结构提供了简单的方法。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种形状可控的三维自组装微机械结构，变形前的结构为由尺寸为微米级 的平面基体1和镶嵌在平面基体1的凹槽中并与平面基体1粘接在一起的铰链2 组成的平面微机械结构，且变形前的平面微机械结构所处的环境温度为T₁，T₁是根据平面微机械结构在实际工作中变形前所处的环境温度设置的，且变形前 的平面微机械结构需在T₁温度下制造，所述平面基体1采用对温度变化不敏感 即材料的体积不随温度的变化而变化的聚合物材料，所述铰链2采用对温度变 化敏感即材料的体积随着温度降低而增大的水凝胶材料；降低变形前的平面微 机械结构的环境温度到T₂，且T₂<T₁，则平面微机械结构变形为三维微机械结构； 对于变形后的三维微机械结构，当环境的温度由T2恢复到T1后，变形后的三 维微机械结构又恢复到初始的平面微机械结构。

所述聚合物材料为聚已酸内酯，所述水凝胶材料为N-异丙基丙烯酰胺。

根据实验的方便程度，所述T₁取300K。

变形后的三维微机械结构中基体的两个平板之间的夹角θ由温度的改变量 ΔT＝T₁-T₂控制，且当ΔT＝27K时，θ＝90°。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过控制环境温度来得到三维自组装的微机械结构，相对于传统加工 技术，该方法更简单。

(2)自组装的微机械结构的几何参数可由环境温度进行人为的控制，可满 足实际工程中对多种构型的需求。

(3)三维自组装的微机械结构可以重复使用。

附图说明

图1是变形前的平面微机械结构侧视图。

图2是变形前的平面微机械结构三维视图。

图3是变形后的三维微机械结构侧视图。

图4是变形后的三维微机械结构三维视图。

具体实施方式

下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：

对于变形前的平面微机械结构，其所处环境的初始温度为T₁。将环境温度 降为T₂后，对温度敏感的铰链在温度降低时体积会膨胀。由于铰链与基体在基 体的凹槽处是粘结在一起的，所以对温度不敏感的基体在铰链的作用下会发生 弹性变形，而铰链在基体的约束下也会有相应的弹性变形。基体和铰链的总应 变可以分别表示为：

e_基体＝e_弹性

(1

e_铰链＝e_温度-e_弹性

基体和铰链在粘结处的不同变形导致粘结处基体发生弯曲形成三维结构， 且弯曲后的两个平板之间的夹角θ可以由温度的改变量(ΔT＝T₁-T₂)控制。

如果将环境温度恢复为初始温度T₁，则三维微机械结构恢复为初始的平面 微机械结构，所以该结构是可以重复利用的。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

本实施例一种形状可控的三维自组装微机械结构，变形前初始结构的侧视 图和三维视图分别如图1和图2所示。变形前的初始平面微机械结构由对温度 不敏感的带凹槽的聚合物平面基体1和对温度敏感的水凝胶铰链2制成，平面 基体1和铰链2在平面基体1的凹槽处粘结在一起。平面基体1使用聚已酸内 酯制作，铰链2使用N-异丙基丙烯酰胺制作。变形前的初始结构在环境温度 T₁＝300K下制作。

将环境温度T₁降为T₂＝273K，基体和水凝胶在粘接处的不同变形将导致粘 结处的基体发生弯曲。基体弯曲的程度是受环境温度的改变量ΔT＝T₂-T₁控制的， 且在本实施例中ΔT＝27K时有弯曲后基体两平板间的夹角θ＝90°，如图3和图4 所示。如果ΔT介于0K与27K之间，将可以得到180°到90°之间的任意夹角。

将环境温度再回复到T₁后，变形后的三维微机械结构将回复到初始的平面 微机械结构。